Мощность электрического тока — Основы электроники

Обычно электрический ток сравнивают с течением жид­кости по трубке, а напряжение или разность потенциалов — с разностью уровней жидкости.

В этом случае поток воды, падающий сверху вниз, несет с собой определенное количество энергии. В усло­виях свободного падения эта энергия растрачивается беспо­лезно для человека. Если же направить падающий поток во­ды на лопасти турбины, то последняя начнет вращаться и сможет производить полезную работу.

Работа, производимая потоком воды в течение определен­ного промежутка времени, например, в течение одной секун­ды, будет тем больше, чем с большей высоты падает поток и чем больше масса падающей воды.

Точно так же и электрический ток, протекая по цепи от высшего потенциала к низшему, совершает работу. В каждую данную секунду времени будет совершаться тем больше рабо­ты, чем больше разность потенциалов и чем большее количе­ство электричества ежесекундно проходит через поперечное сечение цепи.

Мощность электрического тока это количество работы, совершаемой за одну секунду времени, или скорость совершения работы.

Количество электричества, проходящего через поперечное сечение цепи в течение одной секунды, есть не что иное, как сила тока в цепи. Следовательно, мощность электрического тока будет прямо пропорциональна разности потенциалов (на­пряжению) и силе тока в цепи.

Для измерения мощности электрического тока принята еди­ница, называемая ватт (Вт).

Мощностью в 1 Вт обладает ток силой в 1 А при разности потенциалов, равной 1 В.

Для вычисления мощности постоянного тока в ваттах нуж­но силу тока в амперах умножить на напряжение в вольтах.

Если обозначить мощность электрического тока буквой P, то приведенное выше правило можно записать в виде формулы

P = I*U. (1)

Воспользуемся этой формулой для решения числового при­мера. Требуется определить, какая мощность электрического тока необходима для накала нити радиолампы, если напряжение накала равно 4 в, а ток накала 75 мА

Определим мощность электрического тока, поглощаемую нитью лампы:

Р= 0,075 А*4 В = 0,3 Вт.

Мощность электрического тока можно вычислить и другим путем. Предположим, что нам известны сила тока в цепи и сопротивление цепи, а напряжение неизвестно.

В этом случае мы воспользуемся знакомым нам соотноше­нием из закона Ома:

U=IR

и подставим правую часть этого равенства (IR) в формулу (1) вместо напряжения U.

Тогда формула (1) примет вид:

P = I*U =I*IR

или

Р = I²*R. (2)

Например, требуется узнать, какая мощность теряется в реостате сопротивлением в 5 Ом, если через него проходит ток, силой 0,5 А. Пользуясь формулой (2), найдем:

P= I²*R = (0,5)²

*5 =0,25*5 = 1,25 Вт.

Наконец, мощность электрического тока может быть вычислена и в том слу­чае, когда известны напряжение и сопротивление, а сила тока неизвестна. Для этого вместо силы тока I в формулу (1) подставляется известное из закона Ома отношение U/R и тогда формула (1) приобретает следующий вид:

Р = I*U=U²/R (3)

Например, при 2,5 В падения напряжения на реостате сопро­тивлением в 5 Ом поглощаемая реостатом мощность будет равна:

Р = U²/R=(2,5)²/5=1,25 Вт

Таким образом, для вычисления мощности требуется знать любые две из величин, входящих в формулу закона Ома.

Мощность электрического тока равна работе электрического тока, производимой в течение одной секунды.

P = A/t

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

формула, онлайн расчет, выбор автомата

Проектируя электропроводку в помещении, начинать надо с расчета силы тока в цепях. Ошибка в этом расчете может потом дорого обойтись. Электрическая розетка может расплавиться под действием слишком сильного для нее тока. Если ток в кабеле больше расчетного для данного материала и сечения жилы, проводка будет перегреваться, что может привести к расплавлению провода, обрыва или короткого замыкания в сети с неприятными последствиями, среди которых необходимость полной замены электропроводки – еще не самое плохое.

Знать силу тока в цепи надо и для подбора автоматических выключателей, которые должны обеспечивать адекватную защиту от перегрузки сети. Если автомат стоит с большим запасом по номиналу, к моменту его срабатывания оборудование может уже выйти из строя. Но если номинальный ток автоматического выключателя меньше тока, возникающего в сети при пиковых нагрузках, автомат будет доводить до бешенства, постоянно обесточивая помещение при включении утюга или чайника.

Формула расчета мощности электрического тока

Согласно закону Ома, сила тока(I) пропорциональна напряжению(U) и обратно пропорциональна сопротивлению(R), а мощность(P) рассчитывается как произведение напряжения и силы тока. Исходя из этого, ток в участке сети рассчитывается: I = P/U.

В реальных условиях в формулу добавляется еще одна составляющая и формула для однофазной сети приобретает вид:

I = P/(U*cos φ),

а для трехфазной сети: I = P/(1,73*U*cos φ),

где U для трехфазной сети принимается 380 В, cos φ – это коэффициент мощности, отражающий соотношение активной и реактивной составляющих сопротивления нагрузки.

Для современных блоков питания реактивная компонента незначительна, величину cos φ можно принимать равной 0,95. Исключение составляют мощные трансформаторы (например, сварочные аппараты) и электродвигатели, они имеют большое индуктивное сопротивление. В сетях, где планируется подключение подобных устройств, максимальную силу тока следует рассчитывать с использованием коэффициента cos φ, равного 0,8 или рассчитать силу тока по стандартной методике, а потом применить повышающий коэффициент 0,95/0,8 = 1,19.

Подставив действующие значения напряжения 220 В/380 В и коэффициента мощности 0,95, получаем I = P/209 для однофазной сети и I = P/624 для трехфазной сети, то есть в трехфазной сети при одинаковой нагрузке ток втрое меньше. Никакого парадокса тут нет, так как трехфазная проводка предусматривает три фазных провода, и при равномерной нагрузке на каждую из фаз она делится натрое.

Поскольку напряжение между каждым фазным и рабочим нулевым проводами равно 220 В, можно и формулу переписать в другом виде, так она нагляднее: I = P/(3*220*cos φ).

Подбираем номинал автоматического выключателя

Применив формулу I = P/209, получим, что при нагрузке с мощностью 1 кВт ток в однофазной сети будет 4,78 А. Напряжение в наших сетях не всегда равно в точности 220 В, поэтому не будет большой ошибкой силу тока считать с небольшим запасом как 5 А на каждый киловатт нагрузки. Сразу же видно, что в удлинитель, промаркированный «5 А», утюг мощностью 1,5 кВт включать не рекомендуется, так как ток будет в полтора раза превышать паспортную величину. А еще сразу можно «проградуировать» стандартные номиналы автоматов и определить, на какую нагрузку они рассчитаны:

• 6 А – 1,2 кВт;
• 8 А – 1,6 кВт;
• 10 А – 2 кВт;
• 16 А – 3,2 кВт;
• 20 А – 4 кВт;
• 25 А – 5 кВт;
• 32 А – 6,4 кВт;
• 40 А – 8 кВт;
• 50 А – 10 кВт;
• 63 А – 12,6 кВт;
• 80 А – 16 кВт;
• 100 А – 20 кВт.

С помощью методики «5 ампер на киловатт» можно оценить силу тока, возникающую в сети при подключении бытовых устройств. Интересуют пиковые нагрузки на сеть, поэтому для расчета следует использовать максимальную потребляемую мощность, а не среднюю. Эта информация содержится в документации на изделия. Вряд ли стоит самому рассчитывать этот показатель, суммируя паспортные мощности компрессоров, электродвигателей и нагревательных элементов, входящих в устройство, так как есть еще такой показатель, как коэффициент полезного действия, который придется оценивать умозрительно с риском сильно ошибиться.

При проектировании электропроводки в квартире или загородном доме не всегда доподлинно известны состав и паспортные данные электрооборудования, которое будет подключаться, но можно воспользоваться ориентировочными данными обычных для нашего быта электроприборов:

• электросауна (12 кВт) — 60 А;
• электроплита (10 кВт) — 50 А;
• варочная панель (8 кВт) — 40 А;
• электроводонагреватель проточный (6 кВт) — 30 А;
• посудомоечная машина (2,5 кВт) — 12,5 А;
• стиральная машина (2,5 кВт) — 12,5 А;
• джакузи (2,5 кВт) — 12,5 А;
• кондиционер (2,4 кВт) — 12 А;
• СВЧ-печь (2,2 кВт) — 11 А;
• электроводонагреватель накопительный (2 кВт) — 10 А;
• электрочайник (1,8 кВт) — 9 А;
• утюг (1,6 кВт) — 8 А;
• солярий (1,5 кВт) — 7,5 А;
• пылесос (1,4 кВт) — 7 А;
• мясорубка (1,1 кВт) — 5,5 А;
• тостер (1 кВт) — 5 А;
• кофеварка (1 кВт) — 5 А;
• фен (1 кВт) — 5 А;
• настольный компьютер (0,5 кВт) — 2,5 А;
• холодильник (0,4 кВт) — 2 А.

Потребляемая мощность осветительных приборов и бытовой электроники невелика, в целом суммарную мощность осветительных приборов можно оценить в 1,5 кВт и автомата на 10 А на группу освещения достаточно. Бытовая электроника подключается к тем же розеткам, что и утюги, дополнительные мощности резервировать для нее нецелесообразно.

Если просуммировать все эти токи, цифра получается внушительная. На практике, возможности подключения нагрузки ограничивает величина выделенной электрической мощности, для квартир с электрической плитой в современных домах она составляет 10 -12 кВт и на квартирном вводе стоит автомат номиналом 50 А. И эти 12 кВт надо распределить, учитывая то, что самые мощные потребители сосредоточены на кухне и в ванной комнате. Проводка будет доставлять меньше поводов для беспокойства, если разбить ее на достаточное количество групп, каждая со своим автоматом. Для электроплиты (варочной панели) делается отдельный ввод с автоматом на 40 А и устанавливается силовая розетка с номинальным током 40 А, ничего больше туда подключать не надо. Для стиральной машины и другого оборудования ванной комнаты делается отдельная группа, с автоматом соответствующего номинала. Эту группу обычно защищают УЗО с номинальным током на 15% большим, чем номинал автоматического выключателя. Отдельные группы выделяют для освещения и для настенных розеток в каждой комнате.

На расчет мощностей и токов придется потратить некоторое время, но можно быть уверенным, что труды не пропадут даром. Грамотно спроектированная и качественно смонтированная электропроводка – залог комфорта и безопасности вашего жилища.

Онлайн расчет мощности тока для однофазной и трехфазной сети

формула, расчёт силы тока, напряжения и сопротивления

Напряжение, сопротивление, ток и мощность.

Электричество само по себе невидимо, хотя от этого его опасность ничуть не меньше. Даже наоборот: как раз потому и опаснее. Ведь если бы мы его видели, как видим, например, воду, льющуюся из крана, то наверняка бы избежали множества неприятностей.

Вода. Вот она, водопроводная труба, и вот закрытый кран. Ничего не течет, не капает. Но мы точно знаем: внутри вода. И если система исправно работает, то вода эта там находится под давлением. 2, 3 атмосферы, или сколько там? Неважно. Но давление там есть, иначе система бы не работала. Где-то гудят насосы, гонят воду в систему, создают это самое давление.

А вот наш провод электрический. Где-то далеко, на другом конце тоже гудят генераторы, вырабатывают электричество. И в проводе от этого тоже давление. Нет-нет, не давление, конечно, тут в этом проводе напряжение. Оно тоже измеряется, но в своих единицах: в вольтах.

Давит в трубах на стенки вода, никуда не двигаясь, ждет, когда найдется выход, чтобы ринуться туда мощным потоком. И в проводе молча ждет напряжение, когда замкнется выключатель, чтобы потоки электронов двинулись выполнять свое предназначение.

И вот открылся кран, потекла струя воды. По всей трубе течет, двигаясь от насоса к расходному крану. А как только замкнулись контакты выключателя, в проводах потекли электроны. Что это за движение? Это ток. Электроны текут. И это движение, этот ток тоже имеет свою единицу измерения: ампер.

И еще есть сопротивление. Для воды это, образно говоря, размер отверстия в выпускном кране. Чем больше отверстие, тем меньше сопротивление движению воды. В проводах почти также: чем больше сопротивление провода, тем меньше ток.

Вот, как-то так, если образно представлять себе основные характеристики электричества. А с точки зрения науки все строго: существует так называемый закон Ома. Гласит он следующим образом: I = U/R.
I – сила тока. Измеряется в амперах.
U – напряжение. Измеряется в вольтах.
R – сопротивление. Измеряется в омах.

Есть еще одно понятие – мощность, W. С ним тоже просто: W = U*I. Измеряется в ваттах.

Собственно, это вся необходимая и достаточная для нас теория. Из этих четырех единиц измерения в соответствии с вышеприведенными двумя формулами можно вывести некоторое множество других:

№	Задача	Формула	Пример
1	Узнать силу тока, если известны напряжение и сопротивление.	I = U/R	I = 220 в / 500 ом = 0.44 а.
2	Узнать мощность, если известны ток и напряжение.	W = U*I	W = 220 в * 0.44 а = 96.8 вт.
3	Узнать сопротивление, если известны напряжение и ток.	R = U/I	R = 220 в / 0.44 а = 500 ом.
4	Узнать напряжение, если известны ток и сопротивление.	U = I*R	U = 0.44 а * 500 ом = 220 в.
5	Узнать мощность, если известны ток и сопротивление.	W = I 2 *R	W = 0.44 а * 0.44 а * 500 ом = 96.8 вт.
6	Узнать мощность, если известны напряжение и сопротивление.	W = U 2 /R	W = 220 в * 220 в / 500 ом = 96.8 вт.
7	Узнать силу тока, если известны мощность и напряжение.	I = W/U	I = 96.8 вт / 220 в = 0,44 а.
8	Узнать напряжение, если известны мощность и ток.	U = W/I	U = 96.8 вт / 0.44 а = 220 в.
9	Узнать сопротивление, если известны мощность и напряжение.	R = U 2 /W	R = 220 в * 220 в / 96.8 вт = 500 ом.
10	Узнать сопротивление, если известны мощность и ток.	R = W/I 2	R = 96.8 вт / (0,44 а * 0,44 а) = 500 ом.

Ты скажешь: – Зачем мне это все надо? Формулы, цифры. Я ж не собираюсь заниматься расчетами.

А я так отвечу: – Перечитай предыдущую статью Электроснабжение. Основы.. Как можно быть уверенным, не зная простейших истин и расчетов? Хотя, собственно, в бытовом практическом плане наиболее интересна только формула 7, где определяется сила тока при известных напряжении и мощности. Как правило, эти 2 величины известны, а результат (сила тока) безусловно необходим для определения допустимого сечения провода и для выбора защиты.

Есть еще одно обстоятельство, о котором следует упомянуть в контексте этой статьи. В электроэнергетике используется так называемый “переменный” ток. То есть, те самые электроны движутся в проводах не всегда в одном направлении, они постоянно меняют его: вперед-назад-вперед-назад. И эта смена направления движения – 100 раз в секунду.

Погоди, но ведь везде говорится, что частота 50 герц! Да, именно так и есть. Частота измеряется в количестве периодов за секунду, но в каждом периоде ток меняет свое направление дважды. Иначе сказать, в одном периоде две вершины, которые характеризуют максимальное значение тока (положительное и отрицательное), и именно в этих вершинах происходит смена направления.

Не будем вдаваться в подробности более глубоко, но все же: почему именно переменный, а не постоянный ток?

Вся проблема в передаче электроэнергии на большие расстояния. Тут как раз вступает в силу неумолимый закон Ома. При больших нагрузках, если напряжение 220 вольт, сила тока может быть очень большой. Для передачи электроэнергии с таким током потребуются провода очень большого сечения.

Выход здесь только один: поднять напряжение. Седьмая формула говорит: I = W/U. Совершенно очевидно, что если мы будем подавать напряжение не 220 вольт, а 220 тысяч вольт, то сила тока уменьшится в тысячу раз. А это значит, что сечение проводов можно взять намного меньше.

В этой статье уже не раз я обмолвился о зависимости сечения проводника от силы протекаемого тока. О том, как определить допустимое значение, узнаем в следующей статье Допустимый длительный ток..

Как найти мощность: формула, расчёт силы тока, напряжения и сопротивления

Причиной написания данной статьи явилась не сложность этих формул, а то, что в ходе проектирования и разработки каких-либо схем часто приходится перебирать ряд значений чтобы выйти на требуемые параметры или сбалансировать схему. Данная статья и калькулятор в ней позволит упростить этот подбор и ускорить процесс реализации задуманного. Также в конце статьи приведу несколько методик для запоминания основной формулы закона Ома. Эта информация будет полезна начинающим. Формула хоть и простая, но иногда есть замешательство, где и какой параметр должен стоять, особенно это бывает поначалу.

В радиоэлектронике и электротехнике закон Ома и формула расчёта мощности используются чаше чем какие-либо из всех остальных формул. Они определяют жесткую взаимосвязь между четырьмя самыми ходовыми электрическими величинами: током, напряжением, сопротивлением и мощностью.

Закон Ома. Эту взаимосвязь выявил и доказал Георг Симон Ом в 1826 году. Для участка цепи она звучит так: сила тока прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению

Так записывается основная формула:

Путем преобразования основной формулы можно найти и другие две величины:

Мощность. Её определение звучит так: мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.

Формула мгновенной электрической мощности:

Ниже приведён онлайн калькулятор для расчёта закона Ома и Мощности. Данный калькулятор позволяет определить взаимосвязь между четырьмя электрическими величинами: током, напряжением, сопротивлением и мощностью. Для этого достаточно ввести любые две величины. Стрелками «вверх-вниз» можно с шагом в единицу менять введённое значение. Размерность величин тоже можно выбрать. Также для удобства подбора параметров, калькулятор позволяет фиксировать до десяти ранее выполненных расчётов с теми размерностями с которыми выполнялись сами расчёты.

Когда мы учились в радиотехническом техникуме, то приходилось запоминать очень много всякой всячины. И чтобы проще было запомнить, для закона Ома есть три шпаргалки. Вот какими методиками мы пользовались.

Первая – мнемоническое правило. Если из формулы закона Ома выразить сопротивление, то R = рюмка.

Вторая – метод треугольника. Его ещё называют магический треугольник закона Ома.

Если оторвать величину, которую требуется найти, то в оставшейся части мы получим формулу для её нахождения.

Третья. Она больше является шпаргалкой, в которой объединены все основные формулы для четырёх электрических величин.

Пользоваться ею также просто, как и треугольником. Выбираем тот параметр, который хотим рассчитать, он находиться в малом кругу в центре и получаем по три формулы для его расчёта. Далее выбираем нужную.

Этот круг также, как и треугольник можно назвать магическим.

Как рассчитать мощность электрического тока?

Большинство бытовых приборов, подключаемых к сети, характеризуются таким параметром, как электрическая мощность устройства. С физической точки зрения мощность представляет собой количественное выражение совершаемой работы. Поэтому для оценки эффективности того или иного устройства вам необходимо знать нагрузку, которую он будет создавать в цепи. Далее мы рассмотрим особенности самого понятия и как найти мощность тока, обладая различными характеристиками самого устройства и электрической сети.

Понятие электрической мощности и способы ее расчета

С электротехнической точки зрения она представляет собой количественное выражение взаимодействия энергии с материалом проводников и элементами при протекании тока в электрической цепи. Из-за наличия электрического сопротивления во всех деталях, задействованных в проведения электротока, направленное движение заряженных частиц встречает препятствие на пути следования. Это и обуславливает столкновение носителей заряда, электроэнергия переходит в другие виды и выделяется в виде излучения, тепла или механической энергии в окружающее пространство. Преобразование одного вида в другой и есть потребляемая мощность прибора или участка электрической цепи.

В зависимости от параметров источника тока и напряжения мощность также имеет отличительные характеристики. В электротехнике обозначается S, P и Q, единица измерения согласно международной системы СИ – ватты. Вычислить мощность можно через различные параметры приборов и электрических приборов. Рассмотрим каждый из них более детально.

Через напряжение и ток

Наиболее актуальный способ, чтобы рассчитать мощность в цепях постоянного тока – это использование данных о силе тока и приложенного напряжения. Для этого вам необходимо использовать формулу расчета: P = U*I

• P – активная мощность;
• U – напряжение приложенное к участку цепи;
• I — сила тока, протекающего через соответствующий участок.

Этот вариант подходит только для активной нагрузки, где постоянный ток не обеспечивает взаимодействия с реактивной составляющей цепи. Чтобы найти мощность вам нужно выполнить произведение силы тока на напряжение. Обе величины должны находиться в одних единицах измерения – Вольты и Амперы, тогда результат также получится в Ваттах. Можно использовать и другие способы кВ, кА, мВ, мА, мкВ, мкА и т.д., но и параметр мощности пропорционально изменит свой десятичный показатель.

Через напряжение и сопротивление

Для большинства электрических устройств известен такой параметр, как внутреннее сопротивление, которое принимается за константу на весь период их эксплуатации. Так как бытовые или промышленные единицы подключаются к источнику с известным номиналом напряжения, определять мощность достаточно просто. Активная мощность находится из предыдущего соотношения и закона Ома, согласно которого ток на участке прямо пропорционален величине приложенного напряжения и имеет обратную пропорциональность к сопротивлению:

I = U/R

Если выражение для вычисления токовой нагрузки подставить в предыдущую формулу, то получится такое выражение для определения мощности:

P = U*(U/R)=U 2 /R

• P – величина нагрузки;
• U – приложенная разность потенциалов;
• R – сопротивление нагрузки.

Через ток и сопротивление

Бывает ситуация, когда разность потенциалов, приложенная к электрическому прибору, неизвестна или требует трудоемких вычислений, что не всегда удобно. Особенно актуален данный вопрос, если несколько устройств подключены последовательно и вам неизвестно, каким образом потребляемая электроэнергия распределяется между ними. Подход в определении здесь ничем не отличается от предыдущего способа, за основу берется базовое утверждение, что электрическая нагрузка рассчитывается как P = U×I, с той разницей, что напряжение нам не известно.

Поэтому ее мы также выведем из закона Ома, согласно которого нам известно, что падение напряжения на каком-либо отрезке линии или электроустановки прямо пропорционально току, протекающему по этому участку и сопротивлению отрезка цепи:

U=I*R

после того как выражение подставить в формулу мощности, получим:

P = (I*R)*I =I 2 *R

Как видите, мощность будет равна квадрату силы тока умноженной на сопротивление.

Полная мощность в цепи переменного тока

Сети переменного тока кардинально отличаются от постоянного тем, что изменение электрических величин, приводит к появлению не только активной, но и реактивной составляющей. В итоге суммарная мощность будет также состоять активной и реактивной энергии:

• S – полная мощность
• P – активная составляющая – возникает при взаимодействии электротока с активным сопротивлением;
• Q – реактивная составляющая – возникает при взаимодействии электротока с реактивным сопротивлением.

Также составляющие вычисляются через тригонометрические функции, так:

P = U*I*cosφ

Q = U*I*sinφ

что активно используется в расчете электрических машин.

Рис. 1. Треугольник мощностей

Пример расчета полной мощности для электродвигателя

Отдельный интерес представляет собой нагрузка, подключенная к трехфазной сети, так как электрические величины, протекающие в ней, напрямую зависят от номинальной нагрузки каждой из фаз. Но для наглядности примера мы не будем рассматривать, как найти мощность несимметричного прибора, так как это довольно сложная задача, а приведем пример расчета трехфазного двигателя.

Особенность питания и асинхронной и синхронной электрической машины заключается в том, что на обмотки может подаваться и фазное и линейное напряжение. Тот или иной вариант, как правило, обуславливается способом соединения обмоток электродвигателя. Тогда мощность будет вычисляться по формуле:

В случае выполнения расчетов с линейным напряжением, чтобы найти мощность формула примет вид:

Активная и реактивная мощности будут вычисляться по аналогии с сетями переменного тока, как было рассмотрено ранее.

Теперь рассмотрим вычисления на примере конкретной электрической машины асинхронного типа. Следует отметить, что официальная производительность, указываемая в паспортных данных электродвигателя – это полезная мощность, которую двигатель может выдать при совершении оборотов вала. Однако полезная кардинально отличается от полной, которую можно вычислить за счет коэффициента мощности.

Рис. 2. Шильд электродвигателя

Как видите, для вычислений с шильда мы возьмем следующую информацию об электродвигателе:

• полезная производительность – 3 кВт, а в переводе на систему измерения – 3000 Вт;
• коэффициент полезного действия – 80%, а в пересчете для вычислений будем пользоваться показателем 0,8;
• тригонометрическая функция соотношения активных и реактивных составляющих – 0,74%;
• напряжение, при соединении обмоток треугольником составит 220 В;
• сила тока при том же способе соединения – 13,3 А.

С таким перечнем характеристик можно воспользоваться несколькими способами:

S = 1,732*220*13,3 = 5067 Вт

Чтобы найти искомую величину, сначала определяем активную составляющую:

P = P_{полезная} / КПД = 3000/0. 8 = 3750 Вт

Далее полную по способу деления активной на коэффициент cos φ:

S = P/cos φ = 3750/0.74 = 5067 Вт

Как видите, и в первом, и во втором случае искомая величина получилась одинакового значения.

Примеры задач

Для примера рассмотрим вычисление на участках электрической цепи с последовательным и параллельным соединением элементов. Первый вариант предусматривает ситуацию, когда все детали соединяются друг за другом от одного полюса источника питания до другого.

Рис. 3. Последовательная расчетная цепь

Как видите на рисунке, в качестве источника мы используем батарейку с номинальным напряжением 9 В и три резистора по 10, 20 и 30 Ом соответственно. Так как номинальный ток нам не известен, расчет произведем через напряжение и сопротивление:

P = U 2 /R = 81 / (10+20+30) = 1.35 Вт

Для параллельной схемы подключения возьмем в качестве примера участок цепи с двумя резисторами и одним источником тока:

Рис. 4. Параллельная схема подключения

Как видите, для удобства расчетов нам нужно привести параллельно подключенные резисторы к схеме замещения, из чего получится:

Тогда искомый номинал нагрузки мы можем узнать через значение тока и сопротивления:

Формула напряжения тока

Электротехника как область науки, занимающаяся использованием электроэнергии, в том числе ее получением, распределением и учетом, оперирует значениями тока, напряжения, мощности и сопротивления. Это основные величины. Кроме этого, имеется множество других характеристик и понятий, но в рамках данной статьи будут рассматриваться именно эти основополагающие понятия.

Электрический ток

Согласно определению, ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц в среде. Такими частицами могут быть свободные электроны или ионы, частицы вещества, в которых число протонов в ядре не равно количеству электронов, то есть имеющие определенный заряд, положительный или отрицательный. Электроток может быть постоянный или переменный.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение – это разность потенциалов на противоположных участках цепи. Точное определение понятия подразумевает работу по переносу электрического заряда между участками цепи.

Сопротивление

Любой проводник в цепи препятствует прохождению через себя тока. Данная характеристика определяет такую физическую величину, как сопротивление. Исходя из величины сопротивления, все вещества относят к проводникам или изоляторам. Точная граница весьма расплывчата, поэтому при некоторых условиях некоторые вещества можно отнести как к изоляторам, так и к проводникам. Участок электросхемы может иметь элемент с определенным значением величины, который именуется резистор.

Мощность

Скорость преобразования, передачи и потребления электрической энергии определяется мощностью.

Взаимосвязь параметров электрической цепи

Все параметры любой электрической цепи строго взаимосвязаны, поэтому в любой момент времени можно точно определить величину любого из них, зная остальные.

К сведению. Основополагающий закон, по которому производится большинство расчетов, – закон Ома, согласно которому сила тока обратно пропорциональна его сопротивлению и прямо пропорциональна приложенной разности потенциалов.

Формула напряжения тока закона Ома выглядит следующим образом:

Так, цепь с большим напряжением пропускает больший ток, а при одинаковом напряжении ампераж будет больше там, где меньше сопротивление.

Принятые обозначения в формуле расчета напряжения и тока понятны во всем мире:

• I – сила тока;
• U – напряжение;
• R – сопротивление.

Путем простейшего математического преобразования находится формула расчета сопротивления через силу тока и напряжение.

Кроме закона Ома, используется формула расчета мощности:

Символом P здесь обозначена мощность тока.

Любая схема может содержать участки, где имеется последовательное соединение, или есть элемент, подключенный параллельно. Расчеты при этом усложняются, но базовые формулы остаются одинаковыми.

Единицы измерения в формуле

Невозможно выполнять расчеты или измерения, не зная, какими величинами оперировать. Общепринятые обозначения, согласно международной системе измерения СИ:

• Напряжение – Вольт. Обозначается символом В или V в англоязычной литературе;
• Сила тока – Ампер. Обозначается символом А;
• Электрическое сопротивление – Ом. Используется обозначение Ом или Ohm;
• Электрическая мощность – Ватт. Обозначается как Вт или W.

Как работает закон в реальной жизни

Используя совместно формулу расчета мощности и закон Ома, можно производить вычисления, не зная одной из величин. Самый простой пример – для лампы накаливания известны только ее мощность и напряжение. Применяя приведенные выше формулы, можно легко определить параметры нити накаливания и ток через нее.

Сила тока формула через мощность:

Сопротивление:

Такой же результат можно найти из мощности, не прибегая к промежуточным расчетам:

Аналогично можно вычислить любую величину, зная только две из них. Для упрощения преобразований имеется мнемоническое отображение формул, позволяющее находить любые величины.

Внимательно посмотрев на формулы, можно заметить, что, если уменьшить напряжение на лампе в два раза, ожидаемая мощность не снизится аналогично в два раза, а в четыре, согласно формуле:

Это довольно распространенная ошибка среди далеких от электротехники людей, которые неправильно соотносят мощность и напряжение, а также их действие на остальные параметры.

Кстати. Сила тока, найденная через сопротивление и напряжение, справедлива как для постоянного, так и для переменного тока, если в ней не используются такие элементы, как конденсатор или индуктивность.

Облегчить расчеты можно, используя онлайн калькулятор.

Пример с обычной водой

Существуют вещества, которые можно отнести одновременно к проводникам и изоляторам. Самый простой пример – обыкновенная вода. Дистиллированная вода является хорошим изолятором, но наличие в ней практически любых примесей делает ее проводником. Особенно это относится к солям различных металлов. При растворении в воде соли диссоциируются на ионы, их наличие – прямой повод для возникновения тока. Чем больше концентрация солей, тем меньшим сопротивлением будет обладать вода.

Для наглядности можно взять дистиллированную воду для приготовления электролита для автомобильных аккумуляторных батарей. Опустив щупы омметра в воду, можно увидеть, что его показания велики. Добавление всего нескольких кристаллов поваренной соли через некоторое время вызывает резкое уменьшение сопротивления, которое будет тем меньше, чем больше соли перейдет в раствор.

По какой формуле определяется напряжение

Использование той или иной формулы напряжения электрического тока для вычисления зависит от того, какие величины известны:

• Ток и сопротивление – U=I∙R;
• Ток и мощность – U=P/I;
• Мощность и сопротивление – U=√P∙R

Различные используемые величины

Кроме основных величин: вольт, ампер, ом, ватт, используют кратные, большие или меньшие. Для обозначений применяют соответствующие приставки:

• Кило – 1000;
• Мега – 1000000;
• Гига – 1000000000;
• Милли – 0.001.

Таким образом, получается:

• Киловольт (кВ) – тысяча вольт;
• Мегаватт (Мвт) – миллион ватт;
• Миллиом (мОм) – одна тысячная Ом;
• Гигаватт (ГВт) – тысяча мегаватт или миллиард ватт.

Как найти напряжение

Формула нахождения напряжения как разности потенциалов в электрическом поле:

U=ϕA-ϕB, где ϕAи ϕB – потенциалы в точках А и В, соответственно.

Также можно записать напряжение как работу по переносу единицы заряда из точки А в точку В в электрическом поле:

U=A/q, где q – величина заряда.

Работа тем больше, чем выше напряженность электрического поля Е, то есть сила, действующая на неподвижный заряд.

Потенциальную энергию заряда в электростатическом поле называют электростатический потенциал.

Гидравлическая аналогия

Чтобы легче усвоить законы электрических цепей, можно представить себе аналогию с гидравлической системой, в которой соединение насоса и трубопроводов образует замкнутую систему. Для этого нужны следующие соответствия:

• Источник питания – насос;
• Проводники – трубы;
• Электроток – движение воды.

Без особых усилий становится понятнее, что чем меньше диаметр труб, тем медленнее по ним движется вода. Чем мощнее насос, тем большее количество воды он способен перекачать. При одинаковой мощности насоса уменьшение диаметра труб приведет к снижению потока воды.

Измерительные приборы

Для измерения параметров электрических цепей служат измерительные приборы:

Наиболее часто используется класс комбинированных устройств, в которых переключателем выбирается измеряемая величина – ампервольтомметры или авометры.

Типичные напряжения

Для стандартизации и возможности использования различного оборудования в быту и технике применяются электрические сети со стандартными значениями:

• Бытовая сеть –220В;
• Бортовая сеть автомобиля – 12 или 24В;
• Батареи и аккумуляторы – 1.5, 3 или 9В.

Потенциал Гальвани

В электрохимии используется понятие потенциала Гальвани, который означает разность потенциала между различными фазами вещества, например, между электродом и электролитом, между электродами из разнородных металлов.

Видео

Особенности расчета мощности по току и напряжению

Чтобы электропроводка и все электрическое оборудование, которое имеется в доме, работало исправно и правильно, необходимо правильно сделать вычисление мощности по току и электронапряжению, поскольку при неправильно подобранных показателях может возникнуть короткое замыкание или возгорание. Как сделать расчёт потребляемой мощности по току и напряжению, как вычисляется сила тока, формула через мощность и напряжение и другое, далее.

Как узнать силу тока, зная мощность и напряжения

Чтобы ответить на вопрос, как определить ток, необходимо поделить электронапряжение на общее число ватт. При этом сделать все необходимые вычисления можно самостоятельно, а можно прибегнуть к специальному онлайн-калькулятору.

Узнать потребление электроэнергии по токовой силе резистора можно умножением первой на сопротивление, выражаемое в Омах. В итоге, получится значение, представленное в вольтах, перемноженных на ом. Получится ампер.

Обратите внимание! Если нет сопротивления, нужно поделить ваттный показатель на токовую энергию, то есть следует поделить ватты на амперы и получится значение электроэнергии в вольтах. Понять мощностное показание через величину электричества с электронапряжением, можно умножив соответствующие показания с устройства.

Формулы для расчета тока в трехфазной сети

Подсчитать токовую энергию в трехфазной сети сложно, поскольку вместе одной фазы есть три. К тому же, сложность заключается в использовании нескольких схем соединения. Трудность состоит в симметрии или ее отсутствии во время распределения нагрузки по фазам.

Для определения силы тока в трехфазной сети, нужно общее число ватт поделить на показатель 1,73, перемноженный на напряжение и косинус мощностного коэффициента, который отражает активную и реактивную составляющую сопротивления нагрузки. Что касается однофазной сети, то из выражения для подсчета убирается показатель 1,73. Остается формула I = P/(U*cos φ).

Как рассчитать ампераж

Ампераж является значением электротока, которое выражена в амперах. Рассчитать ампераж можно так: I=P/U.

Расчет потребляемой мощности

Электромощность является величиной, которая отвечает за факт скорости изменения или передачи электрической энергии. Есть полная и активная мощностная нагрузка, а также активная и реактивная. Полная вычисляется так: S = √ (P2 + Q2), где P является активной частью, а Q реактивной. Для нахождения потребляемого мощностного показателя необходимо знать число электротока, которое потребляется нагрузкой, а также питательное напряжение, которое выдается при помощи источника.

Что касается бытового определения потребляемой электрической энергии, необходимо вычислить общее количество ватт питания электрических приборов и паспортные данные номинальной силы электротока котла. Как правило, все электрические приборы работают с переменным током и напряжением в 220 вольт. Для вычисления тока проще всего воспользоваться амперметром. Зная первый и второй параметры, реально узнать величину потребляемой энергии.

Стоит указать, что измерить мощность через напряжение или сделать расчет мощности по сопротивлению и напряжению возможно не только формулой, но и прибором. Для этого можно воспользоваться мультиметром с токоизмерительными клещами или специализированным измерителем — ваттметром.

Обратите внимание! Оба работают по одному и тому же принципу, указанному в руководстве по их эксплуатации.

Мощность, ток и напряжение — три составляющие расчета проводки в доме. Узнать все необходимые параметры в любой сети просто при помощи формул, представленных выше. От этих значений будет зависеть исправность работы всей домашней электрики и безопасность ее владельца.

Как найти мощность тока — формулы с примерами расчетов

Определение

Мощность – это скалярная величина. В общем случае она равна отношению выполненной работы ко времени:

P=dA/dt

Простыми словами эта величина определяет, как быстро выполняется работа. Она может обозначаться не только буквой P, но и W или N, измеряется в Ваттах или киловаттах, что сокращенно пишется как Вт и кВт соответственно.

Электрическая мощность равна произведению тока на напряжение или:

P=UI

Как это связано с работой? U – это отношение работы по переносу единичного заряда, а I определяет, какой заряд прошёл через провод за единицу времени. В результате преобразований и получилась такая формула, с помощью которой можно найти мощность, зная силу тока и напряжение.

Формулы для расчётов цепи постоянного тока

Проще всего посчитать мощность для цепи постоянного тока. Если есть сила тока и напряжение, тогда нужно просто по формуле, приведенной выше, выполнить расчет:

P=UI

Но не всегда есть возможность найти мощность по току и напряжению. Если вам они не известны – вы можете определить P, зная сопротивление и напряжение:

P=U 2 /R

Также можно выполнить расчет, зная ток и сопротивление:

P=I 2 *R

Последними двумя формулами удобен расчёт мощности участка цепи, если вы знаете R элемента I или U, которое на нём падает.

Для переменного тока

Однако для электрической цепи переменного тока нужно учитывать полную, активную и реактивную, а также коэффициент мощности (соsФ). Подробнее все эти понятия мы рассматривали в этой статье: https://samelectrik.ru/chto-takoe-aktivnaya-reaktivnaya-i-polnaya-moshhnost.html.

Отметим лишь, что чтобы найти полную мощность в однофазной сети по току и напряжению нужно их перемножить:

S=UI

Результат получится в вольт-амперах, чтобы определить активную мощность (ватты), нужно S умножить на коэффициент cosФ. Его можно найти в технической документации на устройство.

P=UIcosФ

Для определения реактивной мощности (вольт-амперы реактивные) вместо cosФ используют sinФ.

Q=UIsinФ

Или выразить из этого выражения:

И отсюда вычислить искомую величину.

Найти мощность в трёхфазной сети также несложно, для определения S (полной) воспользуйтесь формулой расчета по току и фазному напряжению:

А зная Uлинейное:

1,73 или корень из 3 – эта величина используется для расчётов трёхфазных цепей.

Тогда по аналогии чтобы найти P активную:

Определить реактивную мощность можно:

На этом теоретические сведения заканчиваются и мы перейдём к практике.

Пример расчёта полной мощности для электродвигателя

Мощность у электродвигателей бывает полезная или механическая на валу и электрическая. Они отличаются на величину коэффициента полезного действия (КПД), эта информация обычно указана на шильдике электродвигателя.

Отсюда берём данные для расчета подключения в треугольник на Uлинейное 380 Вольт:

Тогда найти активную электрическую мощность можно по формуле:

P=P_{на валу}/n=160000/0,94=170213 Вт

Теперь можно найти S:

Именно её нужно найти и учитывать, подбирая кабель или трансформатор для электродвигателя. На этом расчёты окончены.

Расчет для параллельного и последовательного подключения

При расчете схемы электронного устройства часто нужно найти мощность, которая выделяется на отдельном элементе. Тогда нужно определить, какое напряжение падает на нём, если речь идёт о последовательном подключении, или какая сила тока протекает при параллельном включении, рассмотрим конкретные случаи.

Здесь Iобщий равен:

На каждом резисторе R1 и R2, так как их сопротивление одинаково, напряжение падает по:

И выделяется по:

P_{на резисторе}=UI=6*0,6=3,6 Ватта

Тогда при параллельном подключении в такой схеме:

Сначала ищем I в каждой ветви:

И выделяется на каждом по:

Или через общее сопротивление, тогда:

Все расчёты совпали, значит найденные значения верны.

Заключение

Как вы могли убедиться найти мощность цепи или её участка совсем несложно, неважно речь идёт о постоянке или переменке. Важнее правильно определить общее сопротивление, ток и напряжение. Кстати этих знаний уже достаточно для правильного определения параметров схемы и подбора элементов – на сколько ватт подбирать резисторы, сечения кабелей и трансформаторов. Также будьте внимательны при расчёте S полной при вычислении подкоренного выражения. Стоит добавить лишь то, что при оплате счетов за коммунальные услуги мы оплачиваем за киловатт-часы или кВт/ч, они равняются количеству мощности, потребленной за промежуток времени. Например, если вы подключили 2 киловаттный обогреватель на пол часа, то счётчик намотает 1 кВт/ч, а за час – 2 кВт/ч и так далее по аналогии.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Также читают:

Вычисляем мощность переменного и постоянного электрического тока по формуле

При проектировании электрооборудования и расчёте кабелей и пусковой и защитной аппаратуры важно правильно рассчитать мощность и ток электроаппаратуры. В этой статье рассказывается о том, как найти эти параметры.

Формулы расчёта электрической мощности

Что такое мощность

При работе электронагревателя или электродвигателя они выделяют тепло или выполняют механическую работу, единица измерения которой – 1 джоуль (Дж).

Одна из основных характеристик электрооборудования – мощность, показывающая количество тепла или произведённой работы за 1 секунду и выражающаяся в ваттах (Вт):

1Вт=1Дж/1с.

В электротехнике 1Вт выделяется при прохождении тока в 1А при напряжении 1В:

1Вт=1А*1В.

Согласно закону Ома, найти мощность можно также, зная сопротивление нагрузки и ток или напряжение:

P=U*I=I*I*R=(U*U)/R, где:

• P (Вт) – мощность электроприбора;
• I (А) – ток, протекающий через устройство;
• R (Ом) – сопротивление аппарата;
• U (В) – напряжение.

Номинальной называют мощность при номинальных параметрах сети и номинальной нагрузке на валу электродвигателя.

Для того чтобы узнать количество электричества, потреблённого за весь период работы, её необходимо умножить на время, которое аппарат работал. Поучившаяся величина измеряется в кВт*ч.

Расчёт в сетях переменного и постоянного напряжения

Электросеть, питающая электроприборы, может быть трёх видов:

• постоянное напряжение;
• переменное однофазное;
• переменное трёхфазное.

Для каждого вида при расчётах используется своя формула мощности.

Расчёт в сети постоянного напряжения

Самые простые расчёты производятся в электросети постоянного тока. Мощность электроаппаратов, подключённых к ней, прямо пропорциональна току и напряжению и, чтобы найти её, используется формула:

P=U*I.

Например, в электродвигателе с номинальным током 4,55А, подключённом к электросети 220В, мощность равна 1000 Ватт, или 1кВт.

И, наоборот, при известных напряжении сети и мощности ток рассчитывается по формуле:

I=P/U.

Однофазные нагрузки

В сети, в которой отсутствуют электродвигатели, а также в бытовой электросети можно пользоваться формулами для сети постоянного напряжения.

Интересно. В бытовой электросети 220В ток можно вычислить по упрощённой формуле: 1кВт=5А.

Мощность переменного тока вычисляется сложнее. Эти аппараты, кроме активной, потребляют реактивную энергию, и формула:

P=U*I

показывает полную потребляемую энергию устройства. Для того чтобы узнать активную составляющую, нужно учесть cosφ – параметр, показывающий долю активной энергии в полной:

Ракт=Робщ*cosφ=U*I*cosφ.

Соответственно, Робщ=Ракт/cosφ.

Например, в электродвигателе с Ракт 1кВт и cosφ 0,7 полная энергия, потребляемая устройством, будет 1,43кВт, и ток – 6,5А.

Треугольник активной, реактивной и полной энергии

Расчет в трехфазной сети

Трёхфазную электросеть можно представить как три однофазных сети. Однако в однофазных сетях используется понятие «фазное напряжение» (Uф), измеряемое между нулевым и фазным проводами, в сети 0,4кВ, равное 220В. В трёхфазных электросетях вместо «фазного» применяется понятие «линейное напряжение» (Uлин), измеряемое между линейными проводами и в сети 0,4кВ, равное 380В:

Uлин=Uф√3.

Поэтому формула для активной нагрузки, например, электрокотла, выглядит так:

P=U*I*√3.

При определении мощности электродвигателя необходимо учитывать cosφ, выражение приобретает следующий вид:

P=U*I*√3*cosφ.

На практике этот параметр обычно известен, а узнать необходимо ток. Для этого используется следующее выражение:

I=P/(U*√3*cosφ).

Например, для электродвигателя 3кВт (3000Вт) и cosφ 0,7 расчёт получается таким:  

I=3000/(380*√3*0,7)=5,8А.

Интересно. Вместо вычислений можно считать, что в трёхфазной сети 380В 1кВт соответствует 2А.

Лошадиная сила

В некоторых случаях при определении мощности автомобилей пользуются устаревшей единицей измерения «лошадиная сила».

Эту единицу ввел в обращение Джеймс Уайт, в честь которого названа единица мощности 1 Ватт, в 1789 году. Его нанял один пивовар для постройки парового двигателя для насоса, способного заменить лошадь. Чтобы определить, какой необходим двигатель, взяли лошадь и запрягли её качать воду.

Считается, что пивовар взял самую сильную лошадь и заставил её работать без отдыха. Реальная сила лошади меньше в 1,5 раза.

В разных странах соотношение 1ЛС и 1кВт немного отличается друг от друга. В России принято считать 1ЛС=0.735кВт, и автомобильный двигатель в 80ЛС соответствует электродвигателю 58,8кВт.

Лошадиная сила

Знание того, как определить мощность и как узнать ток электроприборов, необходимы для проектирования электросетей, расчета кабелей и пускорегулирующей аппаратуры.

Видео

Оцените статью:

формула, расчёт силы тока, напряжения и сопротивления

Безаварийная работа устройства зависит от соответствия технических характеристик прибора нормам питающей сети. Зная напряжение, сопротивление и силу тока в цепи, электрик поймёт, как найти мощность. Формула расчёта важного параметра зависит от свойств сети, в которую подключается потребитель.

Труд электричества

Механические устройства и электрические приборы предназначены для выполнения работы. Согласно второму закону Ньютона, кинетическая энергия, которая воздействует на материальную точку в течение определённого промежутка времени, совершает полезное действие. В электродинамике поле, созданное разностью потенциалов, переносит заряды на участке электрической цепи.

Объём, производимой током работы, зависит от интенсивности электричества. В середине XIX века Д. П. Джоуль и Э. Х. Ленц решали одинаковую проблему. В проводимых опытах кусок проволоки с высоким сопротивлением разогревался, когда через него пропускался ток. Учёных интересовал вопрос, как вычислить мощность цепи. Для понимания процесса, происходящего в проводнике, следует ввести следующие определения:

• P — мощность.
• A — работа, совершаемая зарядом в электрической цепи.
• U — падение напряжения в проводнике.
• I — сила тока.
• Q — количество электрических зарядов, переносимых в единицу времени.

Мощность — это работа, производимая током в проводнике за какой-то временной период. Утверждение описывает формула: P = A ∕ ∆t.

На участке цепи разность потенциалов в точках a и b совершает работу по перемещению электрических зарядов, которая определяется уравнением: A = U ∙ Q. Ток представляет собой суммарный заряд, прошедший в проводнике за единицу времени, что математически выражается соотношением: U ∙ I = Q ∕ ∆t. После преобразований получается формула мощности электрического тока: P = A ∕ ∆t = U ∙ Q ∕ ∆t = U ∙ I. Можно утверждать, что в цепи проводится работа, которая зависит от мощности, определяемой током и напряжением на контактах подключённого электрического устройства.

Производительность постоянного тока

В линейной цепи без конденсаторов и катушек индуктивности соблюдается закон Ома. Немецкий учёный обнаружил взаимосвязь тока и напряжения от сопротивления цепи. Открытие выражается уравнением: I = U ∕ R. При известном значении сопротивления нагрузки мощность вычисляется двумя способами: P = I ² ∙ R или P = U ² ∕ R.

Если ток в цепи течёт от плюса к минусу, то энергия сети поглощается потребителем. Такой процесс проистекает при зарядке аккумуляторной батареи. Если движение тока совершается в противоположном направлении, то мощность отдаётся в электрическую цепь. Так происходит в случае питания сети от работающего генератора.

Мощность переменной сети

Расчёт переменных цепей отличается от вычисления параметра производительности в линии постоянного тока. Это связано с тем, что напряжение и ток изменяются во времени и по направлению.

В цепи со сдвигом фаз тока и напряжения, рассматриваются следующие виды мощности:

1. Активная.
2. Реактивная.
3. Полная.

Активный компонент

Активная часть полезной мощности учитывает скорость невозвратного преобразования электричества в тепловую или магнитную энергию. В линии тока с одной фазой активная составляющая вычисляется по формуле: P = U ∙ I ∙ cos ϕ.

В международной системе единиц СИ величина производительности измеряется в ваттах. Угол ϕ определяет смещение напряжения по отношению к току. В трёхфазной цепи активная часть складывается из суммы мощностей каждой отдельной фазы.

Реверсивные потери

Для работы конденсаторов, катушек индуктивности, обмоток электродвигателей затрачивается сила сети. Из-за физических свойств таких устройств энергия, которая определяется реактивной мощностью, возвращается в цепь. Величина отдачи рассчитывается при помощи уравнения: V = U ∙ I ∙ sin ϕ.

Единицей измерения принят ватт. Возможно использование внесистемной меры подсчёта var, название которой составлено из английских слов volt, amper, reaction. Перевод на русский язык соответственно означает «вольт», «ампер», «обратное действие».

Если напряжение опережает ток, то смещение фаз считается больше нуля. В противном случае сдвиг фаз отрицательный. В зависимости от значения sin ϕ реактивная составляющая носит положительный или отрицательный характер. Присутствие в цепи индуктивной нагрузки позволяет говорить о реверсивной части больше нуля, а подключённый прибор потребляет энергию. Использование конденсаторов делает реактивную производительность минусовой, и устройство добавляет энергию в сеть.

Во избежание перегрузок и изменения установленного коэффициента мощности в цепи устанавливаются компенсаторы. Такие меры снижают потери электроэнергии, понижают искажения формы тока и позволяют использовать провода меньшего сечения.

В полную силу

Полная электрическая мощность определяет нагрузку, которую потребитель возлагает на сеть. Активная и реверсивная составляющие объединяются с полной мощностью уравнением: S = √ (P ² + V ²).

С индуктивной нагрузкой показатель V ˃ 0, а использование конденсаторов делает V ˂ 0. Отсутствие конденсаторов и катушек индуктивности делает реактивную часть равной нулю, что возвращает формулу к привычному виду: S = √ (P ² + V ²) = √ (P ² + 0) = √ P ² = P = U ∙ I. Полная мощность измеряется внесистемной единицей «вольт-ампер». Сокращённый вариант — В ∙ А.

Критерий полезности

Коэффициент мощности характеризует потребительскую нагрузку с точки зрения присутствия реактивной части работы. В физическом смысле параметр определяет сдвиг тока от приложенного напряжения и равен cos ϕ. На практике это означает количество тепла, выделяемого на соединительных проводниках. Уровень нагрева способен достигать существенных величин.

В энергетике коэффициент мощности обозначается греческой буквой λ. Диапазон изменения от нуля до единицы или от 0 до 100%. При λ = 1 подаваемая потребителю энергия расходуется на работу, реактивная составляющая отсутствует. Значения λ ≤ 0,5 признаются неудовлетворительными.

Безотказная работа приборов в электрической линии обусловлена правильным расчётом технических параметров. Найти мощность тока в цепи помогает набор формул, выведенных из законов Джоуля — Ленца и Ома. Принципиальная схема, грамотно составленная с учётом особенностей применяемых устройств, повышает производительность электросети.

Формула мощности электрического тока. Как узнать, найти, вычислить, рассчитать мощность.

Электрическая мощность является одной из наиболее важных и значимых характеристик, которая показывает величину, силу той электротехники, систем, цепей, что работают, выполняя ту или иную функцию. Естественно, как и любая другая физическая величина электрическая мощность должна иметь свою меру, благодаря которой появляется возможность ее рассчитывать, делая заведомо точные, экономичные, эффективные устройства, системы и т.д. Для расчетов существуют определенные формулы, по которым и находятся нужные значения мощности.

Формула мощности тока (электрического) достаточно проста и выражается как произведение напряжения на силу тока. То есть, чтобы найти электрическую мощность достаточно просто напряжение умножить на ток. Если воспользоваться законом ома, то ее можно найти и через сопротивление. В этом случае электрическая мощность будет равна силе тока в квадрате умноженный на сопротивление или же напряжение в квадрате деленное на сопротивление.

Напомню, что при использовании формул подразумевается применение основных единиц измерения физических величин. В нашем случае основными единицами будут:

Электрическая мощность — Ватт;
Сила тока — Ампер;
Напряжение — Вольт;
Сопротивление — Ом.

Исходя из этого формула мощности электрического тока будет звучать так — 1 Ватт равен 1 Вольт умноженный на 1 Ампер. Думаю вы смысл поняли. Меньшими единицами измерения мощности является милливатты (1000 мВт = 1 Вт), большими единицами являются киловатты и мегаватты (1 кВт = 1000 Вт, 1 МВт = 1000 000 Вт). Милливатты это достаточно маленькая мощность, ее используют в электронике, радиотехнике. К примеру мощность слухового аппарата измеряется именно в милливаттах. Мощность в ваттах можно встретить в звуковых усилителях, у небольших блоках питания, мини электродвигателях. Киловатты это мощность, которая часто встречается в бытовых и технических устройствах (электрочайники, электродвигатели, обогреватели и т.д.). Мегаватты это уже достаточно большая мощность, ее можно встретить на электроподстанциях, электростанциях, у потребителях электроэнергии размером с город и т. д.

Если говорить о формуле более научной, которая электрическую мощность тока выражает через работу и время, то она будет звучать так — электрическая мощность равна отношению работы тока на участке цепи ко времени, в течении которого совершается эта работа.

То есть, работа деленная на время будет определять мощность. Кроме этого часто путают такие величины как ватты и ватт-час. В ваттах измеряется электрическая мощность — скорость изменения энергии (передачи, преобразования, потребления). А ватт-час являются единицей измерения самой энергии (работы). В ватт-часах выражается энергия, произведенная (переданная, преобразованная, потребленной) за определенное время.

Мощность также разделяется на активную и реактивную. Активная мощность — часть полной мощности, что удалось передать в нагрузку за период переменного тока. Она равна произведению действующих значений напряжения и тока на cosφ (косинус угла сдвига фаз между ними). Электрическая мощность, что не была передана в нагрузку, а привела к некоторым потерям (на излучение, нагрев) называется реактивной мощностью. Она равна произведению действующих значений напряжения и тока на sinφ (синус угла сдвига фаз между ними).

P.S. Электрическая мощность является одной из главных величин и характеристик, используемые в электротехнике. Именно ее мы узнаем при покупки того или иного электрического устройства. Ведь она определяет силу, с которой электротехника может работать. К примеру электродрель. Если мы купим дрель недостаточной мощности, то она просто не сможет обеспечить нам нормальную работу при сверлении. Хотя гнаться за слишком большой мощностью также не следует, ведь это ведет к излишней трате электроэнергии, за которую вы будете платить. Так что у всего должна быть своя мера и мощность.

Формула тока. Как найти ток. Вычисляем и определяем ток по формуле закона Ома.

Основополагающей формулой для нахождения силы тока является классический закон Ома, который гласит, что сила тока равна напряжение деленное на сопротивление. И эта основополагающая формула любого электрика и электроника, которая постоянно используется для быстрого вычисления силы тока той или иной цепи. Из любых двух известных величин закона Ома (это ток, напряжение и сопротивление) всегда можно найти третью. В случае нахождения напряжения мы перемножаем ток на сопротивление, ну а при вычислении тока или сопротивления всегда напряжение делим на ту величину, которая известная (сила тока или сопротивление).

Стоит сказать, что данная формула тока подходит как для переменного, так и для постоянного тока. Хотя для переменного имеются некоторые нюансы. А именно: это случаи, когда мы используем активную нагрузку (нагреватели, лампочки). Формула тока показывает зависимость напряжения, сопротивления, и собственно силы тока.

Поскольку немаловажной характеристикой, используемой в области электричества, является также электрическая мощность, то для нахождения силы тока применять можно и её. Электрическая мощность, это произведение силы тока на напряжение. И чтобы найти силу тока необходимо мощность поделить на известное напряжение. Например, нам известна мощность нагревательного элемента, которая равна 880 Вт. Мы также знаем напряжение, что будет подаваться на него, равное 220 В. Нам нужно найти силу тока, которая будет протекать по цепи питания данного нагревателя. Для этого мы просто 880 ватт делим на 220 вольт, что даст на силу тока в 4 ампера.

Теперь как можно вычислить по формуле тока (по закону Ома) этот самый ток зная напряжение и сопротивление. Итак, у нас всё то же напряжение 220 вольт, и есть тот же нагревательный элемент. Мы мультиметром, тестером измеряем сопротивление элемента (у нагревателя с мощностью 880 ватт и рассчитанного на напряжение 220 вольт оно будет 55 ом). И что бы найти силу тока мы напряжение 220 вольт делим на сопротивление нагревателя 55 ом, в итоге получаем всю ту же силу тока в 4 ампера.

Просто нужно хорошо запомнить эти две формулы тока (его нахождение через мощность и через сопротивление с известным напряжением). Тогда вы быстро и без труда в голове сможете вычислять как силу тока электрической цепи, так и любые другие электрические величины (напряжение, сопротивление, мощность).

 

Ну, а если вы больше практик, тогда просто берите в руки измерители и меряйте. Напомню, напряжение мы измеряем параллельным прикладыванием щупов тестера, мультиметра к контактам, на которых будет измерять величину разности потенциалов. Силу тока же мы меряем уже путем разрыва цепи, где нужно измерить силу тока, то есть разрываем электрическую цепь в начале (поближе к источнику питания) и между этим разрывом подсоединяем щупы нашего измерителя тока (амперметра). Не забывайте, что переменный ток должен соответствовать своему положению на переключателе тестера, а постоянный своему месту (иначе вы получите неверные значения измеряемого тока).

P.S. Для лучшего запоминания закона Ома вы просто держите в голове, что при делении напряжение всегда в верху, то есть если по закону Ома мы находим напряжение, то перемножаем ток на сопротивление, ну в двух других случаях (при нахождении сопротивления или тока) мы всегда напряжение делим на известную величину, получая вторую, которая ранее была неизвестна.

Учебное пособие по физике: новый взгляд на электрическую энергию

В предыдущем разделе Урока 3 подробно рассказывалась о зависимости тока от разности электрических потенциалов и сопротивления. Ток в электрическом устройстве прямо пропорционален разности электрических потенциалов, приложенной к устройству, и обратно пропорционален сопротивлению устройства. Если это так, то скорость, с которой это устройство преобразует электрическую энергию в другие формы, также зависит от тока, разности электрических потенциалов и сопротивления.В этом разделе Урока 3 мы вернемся к концепции мощности и разработаем новые уравнения, которые выражают мощность через ток, разность электрических потенциалов и сопротивление.

Новые уравнения мощности

В Уроке 2 было введено понятие электроэнергии. Электрическая мощность была определена как скорость, с которой электрическая энергия подается в цепь или потребляется нагрузкой. Уравнение для расчета мощности, подаваемой в цепь или потребляемой нагрузкой, было получено равным

.

P = ΔV • I

(Уравнение 1)

Две величины, от которых зависит мощность, связаны с сопротивлением нагрузки по закону Ома.Разность электрических потенциалов ( ΔV ) и ток ( I ) могут быть выражены в терминах их зависимости от сопротивления, как показано в следующих уравнениях.

ΔV = (I • R)

I = ΔV / R

Если выражения для разности электрических потенциалов и тока подставить в уравнение мощности, можно получить два новых уравнения, которые связывают мощность с током и сопротивлением, а также с разностью электрических потенциалов и сопротивлением.Эти выводы показаны ниже.

Уравнение 2: P = ΔV • I P = (I • R) • I P = I 2 • R

Уравнение 3: P = ΔV • I P = ΔV • (ΔV / R) P = ΔV 2 / R

Теперь у нас есть три уравнения для электрической мощности, два из которых получены из первого с использованием уравнения закона Ома. Эти уравнения часто используются в задачах, связанных с вычислением мощности на основе известных значений разности электрических потенциалов (ΔV), тока (I) и сопротивления (R). Уравнение 2 связывает скорость, с которой электрическое устройство потребляет энергию, с током в устройстве и сопротивлением устройства. Обратите внимание на двойную важность тока в уравнении, обозначенную квадратом тока. Уравнение 2 можно использовать для расчета мощности при условии, что известны сопротивление и ток.Если одно из них неизвестно, то необходимо будет либо использовать одно из двух других уравнений для расчета мощности, либо использовать уравнение закона Ома для расчета количества, необходимого для использования уравнения 2.

Уравнение 3 связывает скорость, с которой электрическое устройство потребляет энергию, с падением напряжения на устройстве и сопротивлением устройства. Обратите внимание на двойную важность падения напряжения, обозначенную квадратом ΔV. Уравнение 3 можно использовать для расчета мощности при условии, что известны сопротивление и падение напряжения. Если одно из них неизвестно, то важно либо использовать одно из двух других уравнений для расчета мощности, либо использовать уравнение закона Ома для расчета количества, необходимого для использования уравнения 3.

Концепции на первом месте

Хотя эти три уравнения предоставляют удобные формулы для вычисления неизвестных величин в физических задачах, нужно быть осторожным, чтобы не использовать их неправильно, игнорируя концептуальные принципы, касающиеся схем.Чтобы проиллюстрировать это, предположим, что вам задали такой вопрос: если бы 60-ваттную лампу в бытовой лампе заменить на 120-ваттную лампу, то во сколько раз ток в цепи этой лампы был бы больше? Используя уравнение 2, можно предположить (ошибочно), что удвоение мощности означает, что количество I ² должно быть удвоено. Таким образом, ток должен увеличиться в 1,41 раза (квадратный корень из 2). Это пример неправильного рассуждения, поскольку он удаляет математическую формулу из контекста электрических цепей. Принципиальная разница между лампочкой на 60 Вт и лампой на 120 Вт заключается не в токе в лампе, а в ее сопротивлении. У этих двух лампочек разные сопротивления; разница в токе — это просто следствие этой разницы в сопротивлении. Если лампы находятся в патроне лампы, который подключен к розетке в США, то можно быть уверенным, что разность электрических потенциалов составляет около 120 вольт. ΔV будет одинаковым для каждой лампы.Лампа мощностью 120 Вт имеет меньшее сопротивление; и, используя закон Ома, можно было бы ожидать, что он также имеет более высокий ток. Фактически, 120-ваттная лампа будет иметь ток 1 А и сопротивление 120 Ом; 60-ваттная лампа будет иметь ток 0,5 А и сопротивление 240 Ом.

Расчеты для 120-ваттной лампы P = ΔV • I I = P / ΔV I = (120 Вт) / (120 В) I = 1 А ΔV = I • R R = ΔV / I R = (120 В) / (1 А) R = 120 Ом

Расчеты для 60-ваттной лампы P = ΔV • I I = P / ΔV I = (60 Вт) / (120 В) I = 0. 5 ампер ΔV = I • R R = ΔV / I R = (120 В) / (0,5 А) R = 240 Ом

Теперь, правильно используя уравнение 2, можно понять, почему удвоенная мощность означает, что будет удвоенный ток, поскольку сопротивление также изменяется при замене лампочки. Расчет тока ниже дает тот же результат, что и выше.

Расчеты для 120-ваттной лампы P = I 2 • R I 2 = P / R I 2 = (120 Вт) / (120 Ом) I 2 = 1 Вт / Ом I = SQRT (1 Вт / Ом) I = 1 А

Расчеты для 60-ваттной лампы P = I 2 • R I 2 = P / R I 2 = (60 Вт) / (240 Ом) Я 2 = 0. 25 Вт / Ом I = SQRT (0,25 Вт / Ом) I = 0,5 А

Проверьте свое понимание

1. Что будет толще (шире) — нить накала 60-ваттной лампочки или 100-ваттная? Объяснять.

2.Вычислите сопротивление и силу тока ночной лампочки 7,5 Вт, подключенной к розетке в США (120 В).

3. Рассчитайте сопротивление и силу тока электрического фена мощностью 1500 Вт, подключенного к домашней розетке в США (120 В).

4. Коробка на настольной пиле показывает, что сила тока при запуске составляет 15 ампер. Определите сопротивление и мощность двигателя за это время.

5. На наклейке на проигрывателе компакт-дисков написано, что он потребляет ток 288 мА при питании от 9-вольтовой батареи. Какая мощность (в ваттах) у проигрывателя компакт-дисков?

6. Тостер на 541 Вт подключается к бытовой розетке на 120 В. Какое сопротивление (в Ом) тостера?

7.Цветной телевизор имеет ток 1,99 А при подключении к 120-вольтовой электросети. Какое сопротивление (в Ом) у телевизора? А какая мощность (в ваттах) у телевизора?

Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома

Добавлено в избранное Любимый 116

Основы электроэнергетики

Приступая к изучению мира электричества и электроники, важно начать с понимания основ напряжения, тока и сопротивления.Это три основных строительных блока, необходимых для управления электричеством и его использования. Сначала эти концепции могут быть трудными для понимания, потому что мы не можем их «видеть». Невооруженным глазом нельзя увидеть энергию, текущую по проводу, или напряжение батареи, стоящей на столе. Даже молния в небе, хотя и видимая, на самом деле не является обменом энергии между облаками и землей, а является реакцией в воздухе на энергию, проходящую через него. Чтобы обнаружить эту передачу энергии, мы должны использовать измерительные инструменты, такие как мультиметры, анализаторы спектра и осциллографы, чтобы визуализировать, что происходит с зарядом в системе.Однако не бойтесь, это руководство даст вам общее представление о напряжении, токе и сопротивлении, а также о том, как они соотносятся друг с другом.

Георг Ом

Рассмотрено в этом учебном пособии

• Как электрический заряд соотносится с напряжением, током и сопротивлением.
• Что такое напряжение, сила тока и сопротивление.
• Что такое закон Ома и как его использовать для понимания электричества.
• Простой эксперимент для демонстрации этих концепций.

Рекомендуемая литература

и nbsp

и nbsp

Электрический заряд

Электричество — это движение электронов. Электроны создают заряд, который мы можем использовать для работы. Ваша лампочка, стереосистема, телефон и т. Д. — все используют движение электронов для выполнения работы. Все они работают, используя один и тот же основной источник энергии: движение электронов.

Три основных принципа этого урока можно объяснить с помощью электронов или, более конкретно, заряда, который они создают:

• Напряжение — это разница в заряде между двумя точками.
• Текущий — это скорость прохождения заряда.
• Сопротивление — это способность материала сопротивляться прохождению заряда (тока).

Итак, когда мы говорим об этих величинах, мы на самом деле описываем движение заряда и, следовательно, поведение электронов. Цепь — это замкнутый контур, который позволяет заряду перемещаться из одного места в другое. Компоненты схемы позволяют нам контролировать этот заряд и использовать его для работы.

Георг Ом был баварским ученым, изучавшим электричество. Ом начинается с описания единицы сопротивления, которая определяется током и напряжением. Итак, начнем с напряжения и продолжим.

Напряжение

Мы определяем напряжение как количество потенциальной энергии между двумя точками цепи. Одна точка заряжена больше, чем другая. Эта разница в заряде между двумя точками называется напряжением. Он измеряется в вольтах, что технически представляет собой разность потенциальной энергии между двумя точками, которая будет передавать один джоуль энергии на каждый кулон заряда, проходящего через нее (не паникуйте, если это не имеет смысла, все будет объяснено).Единица «вольт» названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который изобрел то, что считается первой химической батареей. Напряжение представлено в уравнениях и схемах буквой «V».

При описании напряжения, тока и сопротивления часто используется аналогия с резервуаром для воды. В этой аналогии заряд представлен количеством воды , напряжение представлено давлением воды , а ток представлен потоком воды . Итак, для этой аналогии запомните:

• Вода = Заряд
• Давление = Напряжение
• Расход = Текущий

Рассмотрим резервуар для воды на определенной высоте над землей.Внизу этого бака есть шланг.

Давление на конце шланга может представлять напряжение. Вода в баке представляет собой заряд. Чем больше воды в баке, тем выше заряд, тем больше давление измеряется на конце шланга.

Мы можем рассматривать этот резервуар как батарею, место, где мы накапливаем определенное количество энергии, а затем высвобождаем ее. Если мы сливаем из нашего бака определенное количество жидкости, давление, создаваемое на конце шланга, падает. Мы можем думать об этом как об уменьшении напряжения, например, когда фонарик тускнеет по мере разрядки батарей.Также уменьшается количество воды, протекающей через шланг. Меньшее давление означает, что течет меньше воды, что приводит нас к течению.

Текущий

Мы можем представить себе количество воды, протекающей по шлангу из бака, как ток. Чем выше давление, тем выше расход, и наоборот. С водой мы бы измерили объем воды, протекающей через шланг за определенный период времени.18 электронов (1 кулон) в секунду проходят через точку в цепи. Ампер в уравнениях обозначается буквой «I».

Предположим теперь, что у нас есть два резервуара, каждый со шлангом, идущим снизу. В каждом резервуаре одинаковое количество воды, но шланг одного резервуара уже, чем шланг другого.

Мы измеряем одинаковое давление на конце любого шланга, но когда вода начинает течь, расход воды в баке с более узким шлангом будет меньше, чем расход воды в баке с более узким шлангом. более широкий шланг.С точки зрения электричества, ток через более узкий шланг меньше, чем ток через более широкий шланг. Если мы хотим, чтобы поток через оба шланга был одинаковым, мы должны увеличить количество воды (заряд) в резервуаре с помощью более узкого шланга.

Это увеличивает давление (напряжение) на конце более узкого шланга, проталкивая больше воды через резервуар. Это аналогично увеличению напряжения, которое вызывает увеличение тока.

Теперь мы начинаем видеть взаимосвязь между напряжением и током.Но здесь следует учитывать третий фактор: ширину шланга. В этой аналогии ширина шланга — это сопротивление. Это означает, что нам нужно добавить еще один термин в нашу модель:

.

• Вода = заряд (измеряется в кулонах)
• Давление = напряжение (измеряется в вольтах)
• Расход = ток (измеряется в амперах, или, для краткости, «амперах»)
• Ширина шланга = сопротивление

Сопротивление

Снова рассмотрим наши два резервуара для воды, один с узкой трубой, а другой с широкой.

Само собой разумеется, что мы не можем протолкнуть через узкую трубу столько объема, сколько более широкую, при том же давлении. Это сопротивление. Узкая труба «сопротивляется» потоку воды через нее, даже если вода находится под тем же давлением, что и резервуар с более широкой трубой.

С точки зрения электричества это представлено двумя цепями с одинаковым напряжением и разным сопротивлением. Цепь с более высоким сопротивлением позволит протекать меньшему количеству заряда, то есть в цепи с более высоким сопротивлением будет меньше тока, протекающего через нее.18 электронов. Это значение обычно обозначается на схемах греческой буквой «& ohm;», которая называется омега и произносится как «ом».

Закон Ома

Объединив элементы напряжения, тока и сопротивления, Ом разработал формулу:

Где

• В = Напряжение в вольтах
• I = ток в амперах
• R = Сопротивление в Ом

Это называется законом Ома.Скажем, например, что у нас есть цепь с потенциалом 1 вольт, током 1 ампер и сопротивлением 1 Ом. Используя закон Ома, мы можем сказать:

Допустим, это наш резервуар с широким шлангом. Количество воды в баке определяется как 1 вольт, а «узость» (сопротивление потоку) шланга определяется как 1 ом. Используя закон Ома, это дает нам ток (ток) в 1 ампер.

Используя эту аналогию, давайте теперь посмотрим на резервуар с узким шлангом. Поскольку шланг более узкий, его сопротивление потоку выше.Определим это сопротивление как 2 Ом. Количество воды в резервуаре такое же, как и в другом резервуаре, поэтому, используя закон Ома, наше уравнение для резервуара с узким шлангом составляет

.

а какой ток? Поскольку сопротивление больше, а напряжение такое же, это дает нам значение тока 0,5 А:

Значит, в баке с большим сопротивлением ток меньше. Теперь мы видим, что, зная два значения закона Ома, мы можем решить третье.Продемонстрируем это на эксперименте.

Эксперимент по закону Ома

Для этого эксперимента мы хотим использовать батарею на 9 В для питания светодиода. Светодиоды хрупкие и могут пропускать только определенное количество тока, прежде чем они перегорят. В документации к светодиоду всегда будет «текущий рейтинг». Это максимальное количество тока, которое может пройти через конкретный светодиод, прежде чем он перегорит.

Необходимые материалы

Для проведения экспериментов, перечисленных в конце руководства, вам потребуется:

ПРИМЕЧАНИЕ. светодиодов — это так называемые «неомические» устройства.Это означает, что уравнение для тока, протекающего через сам светодиод, не так просто, как V = IR. Светодиод вызывает в цепи то, что называется «падением напряжения», тем самым изменяя величину протекающего через нее тока. Однако в этом эксперименте мы просто пытаемся защитить светодиод от перегрузки по току, поэтому мы пренебрегаем токовыми характеристиками светодиода и выбираем номинал резистора, используя закон Ома, чтобы быть уверенным, что ток через светодиод безопасно ниже 20 мА.

В этом примере у нас есть батарея на 9 В и красный светодиод с номинальным током 20 мА, или 0.020 ампер. Чтобы быть в безопасности, мы бы предпочли не управлять максимальным током светодиода, а его рекомендуемым током, который указан в его техническом описании как 18 мА или 0,018 ампер. Если просто подключить светодиод напрямую к батарее, значения закона Ома будут выглядеть так:

следовательно:

, а поскольку сопротивления еще нет:

Деление на ноль дает бесконечный ток! Что ж, на практике не бесконечно, но столько тока, сколько может доставить аккумулятор. Поскольку мы НЕ хотим, чтобы через светодиод проходил такой большой ток, нам понадобится резистор.Наша схема должна выглядеть так:

Мы можем использовать закон Ома точно так же, чтобы определить значение резистора, которое даст нам желаемое значение тока:

следовательно:

вставляем наши значения:

решение для сопротивления:

Итак, нам нужно сопротивление резистора около 500 Ом, чтобы ток через светодиод не превышал максимально допустимый.

500 Ом не является обычным значением для стандартных резисторов, поэтому в этом устройстве вместо него используется резистор 560 Ом.Вот как выглядит наше устройство вместе.

Успех! Мы выбрали номинал резистора, который достаточно высок, чтобы ток через светодиод не превышал его максимального номинала, но достаточно низкий, чтобы ток был достаточным, чтобы светодиод оставался красивым и ярким.

Этот пример светодиодного / токоограничивающего резистора — частое явление в хобби-электронике. Вам часто придется использовать закон Ома, чтобы изменить величину тока, протекающего по цепи. Другой пример такой реализации — светодиодные платы LilyPad.

При такой настройке вместо того, чтобы выбирать резистор для светодиода, резистор уже встроен в светодиод, поэтому ограничение тока выполняется без необходимости добавлять резистор вручную.

Ограничение тока до или после светодиода?

Чтобы немного усложнить задачу, вы можете разместить токоограничивающий резистор по обе стороны от светодиода, и он будет работать точно так же!

Многие люди, изучающие электронику впервые, борются с идеей, что резистор, ограничивающий ток, может находиться по обе стороны от светодиода, и схема по-прежнему будет работать как обычно.

Представьте себе реку в непрерывной петле, бесконечную, круглую, текущую реку. Если бы мы построили в нем плотину, вся река перестала бы течь, а не только с одной стороны. Теперь представьте, что мы помещаем водяное колесо в реку, которое замедляет течение реки. Неважно, где в круге находится водяное колесо, оно все равно замедлит поток на всей реке .

Это чрезмерное упрощение, поскольку токоограничивающий резистор нельзя разместить где-либо в цепи ; он может быть размещен на с любой стороны светодиода для выполнения своей функции.

Чтобы получить более научный ответ, мы обратимся к закону напряжения Кирхгофа. Именно из-за этого закона резистор, ограничивающий ток, может располагаться по обе стороны светодиода и при этом иметь тот же эффект. Для получения дополнительной информации и некоторых практических задач с использованием KVL посетите этот веб-сайт.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь вы должны понять концепции напряжения, тока, сопротивления и их взаимосвязь. Поздравляю! Большинство уравнений и законов для анализа цепей можно вывести непосредственно из закона Ома.Зная этот простой закон, вы понимаете концепцию, лежащую в основе анализа любой электрической цепи!

Эти концепции — лишь верхушка айсберга. Если вы хотите продолжить изучение более сложных приложений закона Ома и проектирования электрических цепей, обязательно ознакомьтесь со следующими руководствами.

Electric Power — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 49

С великой державой…

Почему нам важна власть? Мощность — это измерение передачи энергии во времени, а энергия стоит денег. Батареи не бесплатны, и они тоже не выходят из электрической розетки. Итак, мощность измеряет, насколько быстро из вашего кошелька уходят гроши!

Кроме того, энергия … энергия. Он бывает во многих потенциально вредных формах — тепловом, радиационном, звуковом, ядерном и т.д. Итак, важно иметь представление о том, с какой мощностью вы работаете, играя с электроникой.К счастью, когда вы играете с Arduinos, зажигаете светодиоды и вращаете маленькие моторы, потеря информации о том, сколько энергии вы потребляете, означает лишь выжигание резистора или плавление микросхемы. Тем не менее совет дяди Бена применим не только к супергероям.

Рассмотрено в этом учебном пособии

• Определение силы
• Примеры передачи электроэнергии
• Вт, единица мощности СИ
• Расчет мощности с использованием напряжения, тока и сопротивления
• Максимальная номинальная мощность

Рекомендуемая литература

Power — одно из наиболее фундаментальных понятий в электронике.Но перед тем, как узнать о мощности, вам, возможно, стоит сначала прочитать несколько других руководств. Если вы не знакомы с некоторыми из этих тем, сначала подумайте о том, чтобы проверить эти учебники:

Что такое электроэнергия?

Есть много типов силы — физическая, социальная, супер, блокировка запаха, любовь — но в этом уроке мы сосредоточимся на электроэнергии. Так что же такое электроэнергия?

С точки зрения общей физики, мощность определяется как скорость , с которой энергия передается (или преобразуется) .

Итак, во-первых, что такое энергия и как она передается? Сложно сказать просто, но энергия — это, по сути, способность чего-то с по перемещать чего-то еще. Есть много форм энергии: механическая, электрическая, химическая, электромагнитная, тепловая и многие другие.

Энергия никогда не может быть создана или уничтожена, ее можно только передать в другую форму. Многое из того, что мы делаем в электронике, — это преобразование различных форм энергии в электрическую энергию и обратно.Освещение светодиодами превращает электрическую энергию в электромагнитную. Прядильные двигатели превращают электрическую энергию в механическую. Жужжание зуммеров создает звуковую энергию. Питание цепи от щелочной батареи 9 В превращает химическую энергию в электрическую. Все это формы передач энергии .

Преобразованный тип энергии	Преобразованный
Механический	Электродвигатель
Электромагнитный	Светодиод
Нагрев	Резистор
Химический	Аккумулятор
Ветер	Мельница

Пример электрических компонентов, передающих электрическую энергию в другую форму.

В частности, электрическая энергия начинается как электрическая потенциальная энергия — то, что мы с любовью называем напряжением. Когда электроны проходят через эту потенциальную энергию, она превращается в электрическую. В большинстве полезных цепей эта электрическая энергия преобразуется в другую форму энергии. Электрическая мощность измеряется путем объединения того, сколько электроэнергии передается, и того, как быстро эта передача происходит.

Производители и потребители

Каждый компонент в цепи потребляет или производит электроэнергии.Потребитель преобразует электрическую энергию в другую форму. Например, когда загорается светодиод, электрическая энергия преобразуется в электромагнитную. В этом случае лампочка потребляет энергии. Электроэнергия — это произведенных при передаче энергии на электрической из какой-либо другой формы. Батарея, подающая питание на схему, является примером источника питания .

Мощность

Энергия измеряется в джоулях (Дж).Поскольку мощность — это мера энергии за установленный промежуток времени, мы можем измерить ее в джоулей в секунду . Единица СИ для джоулей в секунду — Вт , сокращенно Вт .

Очень часто перед словом «ватт» стоит один из стандартных префиксов SI: микроватты (мкВт), миливатты (мВт), киловатты (кВт), мегаватты (МВт) и гигаватты (ГВт) являются обычными в зависимости от ситуация.

Имя префикса	Аббревиатура префикса	Вес
Нановатт	НВт	10 -9
Микроватт	µВт	10 -6			Мельница	10 -3
Ватт	Вт	10 0
Киловатт	кВт	10 3
Мегаватт	МВт	10 6
ГВт	ГВт	10 9

Микроконтроллеры

, такие как Arduino, обычно работают в диапазоне мкВт или мВт.Портативные и настольные компьютеры работают в стандартном диапазоне мощности. Энергопотребление дома обычно составляет киловатт. Большие стадионы могут работать в мегаваттном масштабе. И гигаватты вступают в игру для крупных электростанций и машин времени.

Расчетная мощность

Электроэнергия — это скорость передачи энергии. Он измеряется в джоулях в секунду (Дж / с) — ватт (Вт). Учитывая несколько известных нам основных терминов, связанных с электричеством, как мы можем рассчитать мощность в цепи? Итак, у нас есть очень стандартное измерение, включающее потенциальную энергию — вольты (В), — которые определяются в джоулях на единицу заряда (кулон) (Дж / Кл).Ток, еще один из наших любимых терминов, связанных с электричеством, измеряет поток заряда во времени в амперах (А) — кулонах в секунду (Кл / с). Соедините их вместе и что мы получим ?! Мощность!

Чтобы рассчитать мощность любого конкретного компонента в цепи, умножьте падение напряжения на нем на ток, протекающий через него.

Например,

Ниже представлена ​​простая (хотя и не полностью функциональная) схема: батарея на 9 В, подключенная через 10 Ом; резистор.

Как рассчитать мощность на резисторе? Сначала мы должны найти ток, проходящий через него. Достаточно просто … Закон Ома!

Хорошо, 900 мА (0,9 А) проходит через резистор и 9 В. Какая же тогда мощность подается на резистор?

Резистор преобразует электрическую энергию в тепло. Таким образом, эта схема каждую секунду преобразует 8,1 джоулей электрической энергии в тепло.

Расчет мощности в резистивных цепях

Когда дело доходит до расчета мощности в чисто резистивной цепи, знать два из трех значений (напряжение, ток и / или сопротивление) — это все, что вам действительно нужно.

Подставляя закон Ома (V = IR или I = V / R) в наше традиционное уравнение мощности, мы можем создать два новых уравнения. Первый, чисто по напряжению и сопротивлению:

Итак, в нашем предыдущем примере 9V ² /10 & ohm; (V ² / R) составляет 8,1 Вт, и нам никогда не нужно рассчитывать ток, протекающий через резистор.

Второе уравнение мощности можно составить исключительно с точки зрения тока и сопротивления:

---

Зачем нам нужна мощность, упавшая на резистор? Или любой другой компонент в этом отношении.Помните, что мощность — это передача энергии от одного типа к другому. Когда эта электрическая энергия, идущая от источника питания, попадает на резистор, энергия превращается в тепло. Возможно, больше тепла, чем может выдержать резистор. Это приводит нас к … номинальной мощности.

Номинальная мощность

Все электронные компоненты передают энергию от одного типа к другому. Требуется некоторая передача энергии: светодиоды излучают свет, моторы вращаются, аккумуляторы заряжаются.Другая передача энергии нежелательна, но также неизбежна. Эти нежелательные передачи энергии составляют потерь мощности , которые обычно проявляются в виде тепла. Слишком большие потери мощности — слишком большой нагрев компонента — могут стать очень нежелательными для .

Даже когда передача энергии является основной целью компонента, все равно будут потери в другие формы энергии. Например, светодиоды и двигатели по-прежнему будут выделять тепло как побочный продукт при передаче другой энергии.

Большинство компонентов рассчитаны на максимальную рассеиваемую мощность, и важно, чтобы они работали ниже этого значения.Это поможет вам избежать того, что мы с любовью называем «выпустить волшебный дым».

Номинальная мощность резистора

Резисторы

— одни из наиболее известных виновников потери мощности. Когда вы понижаете напряжение на резисторе, вы также индуцируете ток через него. Чем больше напряжение, тем больше ток, тем больше мощность.

Вспомните наш первый пример расчета мощности, где мы обнаружили, что если 9V упадет на 10 & ohm; резистор, этот резистор рассеивает 8.1Вт. 8.1 — это лот Вт для большинства резисторов. Большинство резисторов рассчитаны на любую мощность от & frac18; Вт (0,125 Вт) до ½ Вт (0,5 Вт). Если вы уроните 8 Вт на стандартный резистор ½ Вт, приготовьте огнетушитель.

Если вы видели резисторы раньше, вы наверняка видели их. Сверху — резистор ½ Вт, ниже — Вт. Они не предназначены для рассеивания большого количества энергии.

Существуют резисторы, рассчитанные на большие перепады мощности. Они специально называются силовыми резисторами .

Эти большие резисторы предназначены для рассеивания большого количества энергии. Слева направо: два 3Вт 22кОм; резисторы, два 5W 0.1 & Ом; резисторы, и 25Вт 3 & Ом; и 2 & Ом; резисторы.

Если вы когда-нибудь обнаружите, что выбираете номинал резистора. Также помните о номинальной мощности. И, если ваша цель — не нагреть что-либо (нагревательные элементы — это, по сути, действительно мощные резисторы), постарайтесь минимизировать потери мощности в резисторе.

Например,

Номинальная мощность резистора

может иметь значение, когда вы пытаетесь выбрать номинал для токоограничивающего резистора светодиода.Скажем, например, вы хотите зажечь 10-миллиметровый сверхяркий красный светодиод на максимальной яркости, используя батарею 9 В.

Этот светодиод имеет максимальный прямой ток 80 мА и прямое напряжение около 2,2 В. Таким образом, чтобы подать на светодиод 80 мА, вам понадобится 85 Ом; резистор сделать так.

На резисторе упало 6,8 В, а прохождение 80 мА через него означает потерю мощности 0,544 Вт (6,8 В * 0,08 А). Полуваттный резистор это не очень понравится! Он, наверное, не растает, но будет горячим .Не рискуйте и выберите резистор 1 Вт (или сэкономьте энергию и используйте специальный драйвер светодиода).

---

Резисторы, безусловно, не единственные компоненты, для которых необходимо учитывать максимальную номинальную мощность. Любой компонент, обладающий резистивным свойством, будет производить тепловые потери. Работа с компонентами, которые обычно подвергаются воздействию высокой мощности, например, регуляторами напряжения, диодами, усилителями и драйверами двигателей, требует особого внимания к потерям мощности и тепловым нагрузкам.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь, когда вы знакомы с концепцией электроэнергии, ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по теме!

• Как активизировать ваш проект — Ну, вы знаете, что такое «сила». Но как сделать это в своем проекте?
• Light — Свет — полезный инструмент для инженера-электрика. Понимание того, как свет соотносится с электроникой, является фундаментальным навыком для многих проектов.
• Что такое Arduino — Мы много говорили об этой Arduino в этом уроке. Если вам все еще неясно, что это такое, ознакомьтесь с этим руководством!
• Диоды — преобразуют ли они переменный ток в постоянный или просто зажигают светодиодный индикатор питания, диоды являются особенно удобным компонентом для питания проектов.
Резисторы
• — самые основные электронные компоненты, резисторы необходимы практически в каждой цепи.
• MP3 Player Shield Music Box — Поговорим о передаче энергии! В этом проекте сочетаются электричество, движение и звук, чтобы создать музыкальную шкатулку на тему «Доктор Кто» .

Электроэнергия, работа и мощность

Чтобы понять, как работают устойчивые технологии, важно усвоить определенные основные принципы. Знать, как фотоэлектрические элементы преобразуют солнечную энергию в электричество, означает понимать основы электричества и света. Понимание того, как ветряные турбины производят электричество, означает понимание кое-чего о власти, работе и электромагнетизме. В этом модуле будут представлены основные концепции, необходимые для понимания технологий, обсуждаемых в этом курсе.Хотя формулы иногда используются для объяснения основных принципов, суть не в том, чтобы уметь решать количественные проблемы. Формулы помогут вам увидеть взаимосвязь.

Цели обучения: Учащиеся смогут:

1. Выделите различия между энергией, работой и мощностью и приведите примеры каждого из них с использованием соответствующих единиц.
2. Дайте соответствующие определения следующим электрическим терминам: электрон, электрический заряд, электрический потенциал, сопротивление, ток, мощность, проводник, полупроводник и изолятор.

   Студент сможет сопоставить электрические величины / свойства с различными единицами измерения, используемыми в электротехнике (например, вольт, ампер, ватт, ом, ампер-часы, киловатт-часы и т. Д.).
   

3. Укажите элементы электрической цепи.
4. Укажите различия между параллельными и последовательными цепями и отметьте влияние на электрический потенциал (измеренный в вольтах) и ток (измеренный в амперах).
   
5. Объясните взаимосвязь между потоком тока и магнетизмом и покажите, как это лежит в основе электродвигателей и генераторов.
6. Различайте электричество постоянного и переменного тока, определите полезные качества каждого из них, отметьте, какие устройства связаны с каждым из них, и опишите роль силовых инверторов.

Энергия, работа и мощность

Перейти к: Force | Работа | Мощность

Проще говоря, Вселенная состоит из четырех вещей: пространства, времени, массы и энергии. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена. Но Эйнштейн показал нам, что энергию можно превратить в массу и наоборот.Второй закон термодинамики гласит, что каждый раз, когда энергия меняет форму, часть ее превращается в тепло. Энергия бывает разных форм. Самая полезная энергия или энергия высочайшего качества — это то, что мы можем использовать для работы. Например, энергия движения (кинетическая энергия) воды, падающей через плотину, может быть использована для вращения водяного колеса для измельчения зерна или выработки электричества.

Потенциальная и кинетическая энергия

Происхождение: Первоисточник: Environment Canada (https: // www.ec.gc.ca/eau-water/default.asp?lang=en&n=00EEE0E6-1), доступ через USGS: https://water.usgs.gov/edu/wuhy.html Это воспроизведение является копией официального работа, опубликованная правительством Канады, и ее воспроизведение не было произведено при поддержке или с одобрения правительства Канады.
Повторное использование: Информация на этом веб-сайте была размещена с намерением сделать ее доступной для личного или публичного некоммерческого использования и может быть воспроизведена частично или полностью и любыми средствами без взимания платы или дополнительного разрешения, если не указано иное.Пользователи должны: проявлять должную осмотрительность для обеспечения точности воспроизводимых материалов; Укажите как полное название воспроизводимых материалов, так и организацию автора; и Укажите, что воспроизведение является копией официального произведения, опубликованного правительством Канады, и что воспроизведение не было произведено при поддержке или с одобрения правительства Канады.

Самая низкая форма энергии с точки зрения полезности — тепло.Да, тепло можно использовать для производства пара и привода электрических турбин. Но для этого требуется много тепла, и это тепло должно исходить от какого-то другого источника энергии, например, горящего угля или солнечного света. Физики используют термин энтропия, чтобы описать изменение полезной энергии на менее полезное тепло.

Проще говоря, вселенная состоит из четырех вещей; пространство, время, масса и энергия. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена. (Хотя позже Эйнштейн показал, что для ядерных реакций энергию можно превратить в массу и наоборот).Энергия бывает разных форм. Когда энергия передается от одного объекта к другому или когда она трансформируется из одного типа в другой, ее можно использовать для выполнения работы. Например, энергия движения (кинетическая энергия) воды, падающей через плотину, может быть использована для вращения водяного колеса для измельчения зерна или выработки электричества.

Энтропия — это мера распределения энергии. Концентрированные формы энергии, такие как энергия, хранящаяся в ядре атома, в химических связях или в высоковольтных электрических устройствах, очень полезны для выполнения работы.С другой стороны, менее концентрированные формы энергии, такие как низкотемпературное тепло, вибрации или звуковые волны, гораздо менее полезны. Второй закон термодинамики гласит, что всякий раз, когда энергия используется для выполнения работы, часть энергии превращается из концентрированной формы в менее полезную. Физики говорят, что по мере того, как энергия распространяется или рассеивается, энтропия увеличивается. Одним из результатов второго закона термодинамики является то, что ни один процесс не может преобразовать 100% энергии в полезную работу.

Что такое энергия? Полезно разделить энергию на два списка. Кинетическая энергия — это энергия движущегося объекта. Падающая вода (реагирующая на силу тяжести), солнечный свет, электроны, протекающие по проводу (электричество), велосипед в движении, использование мышц для движения глаз во время чтения — все это примеры кинетической энергии. Потенциальная энергия — это то, что сохраняется и готово к преобразованию в кинетическую энергию. Это включает воду, удерживаемую плотиной, электрический заряд, хранящийся в батарее, химическую энергию, хранящуюся в жирах и сахарах, и химическую энергию, хранящуюся в бензине и угле.

На схеме гидроэлектростанции вода, стекающая по напорному штоку, имеет кинетическую энергию. Эта кинетическая энергия используется для вращения турбины, подключенной к электрогенератору. Вода, хранящаяся за плотиной, имеет потенциальную энергию или запасенную энергию. Обратите внимание, что сила тяжести, действующая на воду, в каждом случае обеспечивает энергию.

Сила

Когда к объекту прикладывается энергия, мы воспринимаем его как силу .Некоторые силы требуют контакта между двумя объектами, а другие действуют на расстоянии. Силы, которые требует контакта , включают толкание, тянущее усилие (натяжение) и трение. Силы, которые работают без прямого контакта между объектами, включают гравитацию, магнетизм и электрическую силу. Стандартная единица силы названа в честь сэра Исаака Ньютона, отца физики. Один Ньютон (1 Н) = количество силы для ускорения 1 кг массы на один метр в секунду ² . Или 1 Н = (1 кг x 1 м) / с ² .

Аппарат Джоуля для демонстрации эквивалентности работы и тепла

Provenance: Изображение из нового ежемесячного журнала Harper’s, № 231, август 1869 г. Доступно по: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Joule%27s_Apparatus_(Harper%27s_Scan).png
Повторное использование: Этот элемент является общественным достоянием и может использоваться повторно без ограничений.

Работа

Мы используем энергию для работы. Самый простой способ думать о работе — это перемещать объект.Когда к объекту прикладывается сила (масса, умноженная на ускорение), которая заставляет этот объект перемещаться, пройденное расстояние — это уже выполненная работа. Но мы используем энергию для выполнения большего количества работ, чем перемещение мебели или автомобилей. Работа также выполняется, когда мы используем солнечный свет или природный газ для обогрева наших домов, когда мы используем электричество для освещения наших комнат или когда мы используем бутерброд с арахисовым маслом и желе для питания клеток нашего мозга.

Поскольку энергия бывает разных форм, неудивительно, что существуют разные способы ее измерения.Трудно отслеживать все различные единицы энергии. Посмотрите на таблицу ниже, чтобы увидеть некоторые единицы и отношение к джоулям, который является золотым стандартом измерения энергии. Он назван в честь Джеймса Джоуля, пивовара 19-го века, который показал эквивалентность механической работы и тепла. Один джоуль примерно равен количеству энергии, необходимому для поднятия 100-граммового яблока на 1 метр (3,3 фута).

Изображенный аппарат был использован Джеймсом Джоулем для демонстрации эквивалентности механической работы и тепла.Он рассчитал работу, выполняемую силой тяжести на гирю. Эта тяга повернула лопаточные колеса, которые смешали воду в изолированном контейнере. Вода нагревается при перемешивании, показывая, что тепло = работа.

Паровая машина Ватта

Происхождение: Викикоммоны: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SteamEngine_Boulton%26Watt_1784.png
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Мощность

Мощность — это показатель того, сколько энергии используется за определенный период времени. Для этого мы можем использовать ватт. Джеймс Ватт был пионером в понимании физики энергии и разработал один из первых успешных паровых двигателей. Он одолжил нам свою фамилию для этого подразделения.

Показано изображение паровой машины, разработанной совместно Джеймсом Ваттом для откачки воды из затопленных угольных шахт в Англии.

Ватт — это один джоуль энергии, затрачиваемый за секунду. Таким образом, ватт включает в себя как затраченную энергию, так и время, в течение которого она была затрачена.По аналогии, вы можете получить один галлон воды из капающего крана за час или из открытого крана за 15 секунд. В конце концов, вы все равно получите галлон воды, но во втором случае вода течет в ведро намного быстрее. Так что аспект времени важен. Мы используем термин мощность для обозначения количества энергии и скорости ее доставки. Джоуль — это член энергии, а ватт — член мощности.

Насколько велик ватт мощности? Подбрасывание 100 г яблока в воздух на 1 м (3.3 фута) потребляет 1 ватт мощности. Ноутбук, который вы, возможно, используете для чтения, потребляет около 5 & acirc; & # 128; & # 147; 50 ватт, в зависимости от того, работает ли у вас в фоновом режиме музыка или работают другие приложения. Старомодная лампа накаливания мощностью 100 Вт потребляет 1 киловатт-час электроэнергии, если оставить ее включенной на 10 часов. Киловатт — это 1000 ватт, сокращенно кВт. 10 часов x 100 Вт = 1000 кВтч. Обратите внимание на разницу между кВт и кВтч. КВт — это мера мощности, а кВтч — мера того, сколько энергии было использовано в целом.

Яблоко, падающее на метр, делает это с мощностью 1 ватт.

Происхождение: Эван-Амос автор изображения
Повторное использование: Лицо, связавшее произведение с этим документом, посвятило произведение общественному достоянию, отказавшись от всех своих прав на произведение во всем мире в соответствии с законом об авторском праве, включая все смежные и смежные права в пределах, разрешенных законом. Вы можете копировать, изменять, распространять и выполнять работу даже в коммерческих целях, не спрашивая разрешения

Вы не понимаете, что такое кВт и кВтч? Это уловка.Помните, что ватт — это джоуль / сек. Значит, в ватт или киловатт уже заложено время. Это энергия / время. Это мощность, скорость использования энергии. Но мощность не сообщает вам, сколько энергии было использовано за определенный период времени. Чтобы получить это, вам нужно умножить мощность на время. Затем единицы времени должны быть зачеркнуты. Увы, принято оставлять час на месте — глупо, но так оно и делается. 1 кВтч = 1 кВт x 1 час.

Вот пример. В моем доме есть фотоэлектрическая система (солнечная электроэнергия), которая в идеальных условиях приятного солнечного прохладного дня рассчитана на выработку 4 кВт.За 4 часа это составит:

4 кВт x 4 часа = 16 кВт · ч электроэнергии. В частично облачный день система может работать на половинной мощности или на 2 кВт выходной мощности. При такой скорости мне потребуется 8 часов, чтобы выработать те же 16 кВт · ч, что я сделал в солнечный день; 2кВт x 8 часов = 16 кВтч.

В состоянии покоя типичный человек использует энергию мощностью 80 Вт для обеспечения жизненных функций организма (так называемый метаболизм в состоянии покоя). Взрослый мужчина может съедать около 2000 килокалорий в день. Одна ккал = 1,163 Втч. Таким образом, диета на 2000 ккал обеспечит 2326 Втч или 2 Втч.326 кВтч. Если бы человек просто пролежал в постели 24 часа, он бы сжег 80 Вт x 24 часа = 1920 Вт · ч или 1 920 кВт · ч. Если этот парень останется в постели и продолжит так есть, он в конечном итоге потребляет 2,326 кВтч & acirc; & # 128; & # 147; 1,920 кВтч = 0,406 кВтч больше, чем он использует, и это будет храниться в виде жира. Фунт жира равен примерно 3500 ккал (4 070,5 кВтч). Так что через десять дней он может прибавить еще фунт. Интенсивная поездка на велосипеде использует энергию в размере 200 Вт. Поэтому ему следует подумать о двухчасовой поездке на велосипеде, чтобы оставаться в форме (0.2 кВт для езды на велосипеде x 2 часа = 4,0 кВтч).

Сводка силы, работы и мощности

Сила = Энергия, приложенная к объекту (измеряется в ньютонах).

Работа = Сила X Расстояние или количество переданного тепла (Измеряется в Джоулях или калориях) .

Мощность = работа / время (измеряется в ваттах с)

Различные блоки энергии

1 калория (термохимическая) = 4.184 Дж

1 британская тепловая единица = 251,9958 калорий

1 БТЕ (термохимический) = 1054,35 Дж

1 киловатт-час (кВтч) = 3,6 x 106 Дж

1 киловатт-час (кВтч) = 3412 британских тепловых единиц (IT)

1 терм = 100 000 британских тепловых единиц

1 электрон-вольт = 1,6022 x 10-19 Дж

Электричество и магнетизм

Изолированные провода

Происхождение: Chatama размещено на Викискладе https://commons.wikimedia.org/wiki/File:600V_CV_5.5sqmm.jpg
Повторное использование: Этот файл находится под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Непортированная лицензия. Вы можете: делиться — копировать, распространять и передавать произведение для ремикса — адаптировать произведение При следующих условиях: приписывание — вы должны указать произведение в порядке, указанном автором или лицензиаром (но ни в коем случае не предполагает, что они одобряют вас или ваше использование произведения). делиться одинаково — если вы изменяете, трансформируете или расширяете эту работу, вы можете распространять полученную работу только по той же или аналогичной лицензии, что и эта.

Теперь, когда у вас есть хорошее представление об энергии, работе и мощности, пора зарядиться и изучить электричество! Древние имели смутное представление об электричестве из-за своего жизненного опыта.Рыбаки, ловившие разного рода «электрическую рыбу», при обращении с ней подвергались шоку. Другие чувствовали воздействие статического электричества от своей шерстяной одежды. Египтяне видели связь между электрической рыбой и молнией. Но только около 1600 года начались серьезные научные исследования электричества. Усилиями многих исследователей к концу XIX века было разработано хорошее понимание электричества и того, как его использовать.

Напомним, что вся материя состоит из атомов.А атомы состоят из нескольких основных частиц: электронов с отрицательным зарядом, протонов с положительным зарядом и нейтронов без заряда. Электричество можно представить как поток электронов через проводник, подобный медному проводу. На самом деле это не поток электронов, а импульс, который проходит по проводу.

Хорошие проводники, как и металлы, легко пропускают электричество. У них есть электроны на внешних орбиталях, с которыми легко вступить в контакт. Плохие проводники называются изоляторами, и они не пропускают беспрепятственный ток электричества.Даже самые лучшие проводники оказывают некоторое сопротивление току электричества. Такое сопротивление измеряется в единицах, называемых Ом. Стекло — хороший изолятор и, следовательно, плохой проводник.

Третий класс соединений — полупроводники. Они реагируют на изменение условий, чтобы включить или выключить подачу электричества. Полупроводники часто содержат смесь кремния и металлов. Пластины из этих полупроводников лежат в основе «микросхем» компьютера, а также являются основой для светодиодных ламп и фотоэлектрических (солнечных) элементов.

Фотоэлектрические панели изготовлены из полупроводников.

Происхождение: Фото Б. Кукера
Повторное использование: бесплатно для повторного использования

Панели фотоэлементов, которые производят электричество из солнечного света, сделаны из полупроводников.

Для подачи электричества должна быть замкнутая цепь. Электроны должны начинать с состояния с высокой энергией и заканчиваться в состоянии с низкой энергией. Ниже представлена ​​схема простой схемы. Обратите внимание, что электричество проходит от высокоэнергетического конца батареи через лампу, а затем обратно к низкоэнергетическому концу батареи.Когда выключатель разомкнут, подача электричества прекращается.

Об электричестве просто думать как об электроне (или импульсе размером с электрон), протекающем по проводнику. Но на практике один электрон слишком мал и несет слишком мало энергии, чтобы выполнять какую-либо реальную работу. Однако групповые потоки электронов могут вызвать сильный толчок! Кулон равен 6,24 х 10 ¹⁸ электронов. А amp — это поток в один кулон в секунду через проводник. Таким образом, усилители измеряют скорость потока электричества.Мы называем поток электричества током.

Не все электричество течет с одинаковой силой. Чтобы понять это, подумайте о давлении или силе воды, выходящей из трубы. Если труба прикреплена к резервуару наверху высокого здания, вода будет иметь гораздо большее давление, чем если бы резервуар был на 30 см выше трубы. То же самое и с электричеством. «Давление» электричества — это электрический потенциал. Электрический потенциал — это количество энергии, доступное для проталкивания каждой единицы заряда через электрическую цепь.Единицей измерения электрического потенциала является вольт. Вольт равен джоуля на кулон. Таким образом, если автомобильный аккумулятор имеет электрический потенциал 12 вольт, он может обеспечить 12 джоулей энергии на каждый кулон заряда, который он подает на стартер. Точно так же, если розетка в вашем доме имеет электрический потенциал 120 вольт, то она может обеспечить 120 джоулей энергии на каждый кулон заряда, который доставляется к устройству, подключенному к стене. (Примечание: величина «электрический потенциал» иногда называется несколькими разными именами, включая напряжение, разность потенциалов и электродвижущую силу.Для ясности мы всегда будем ссылаться на электрический потенциал, который измеряется в вольтах). Электроны высокого напряжения возвращаются в «основное состояние» с большей энергией, чем электроны низкого напряжения.

А В — это сила, необходимая для перемещения одного А через проводник с сопротивлением 1 Ом .

Вы думаете: «Кажется, существует связь между усилителями, вольтами и омами» & acirc; & # 128; & # 148; и ты прав! Электрический потенциал = ток x сопротивление.Это закон Ома, который обычно записывается как: E = I x R . E — электрический потенциал, измеренный в вольтах, I — ток, измеренный в амперах, а R — сопротивление, измеренное в омах.

Электроны, проходящие через сопротивление проволоки, совершают работу. Действительно полезны два вида работы, выполняемой током. Если в проводе имеется большое сопротивление, большая часть работы будет выполняться в виде тепла. Подумайте об электрическом тостере, феном или обогревателе.

Второй действительно важный вид работы, выполняемой током, протекающим через провод, — это создание магнитного поля.Надеюсь, в детстве вы играли с постоянными магнитами. Вы знаете, что у магнитов два полюса: один называется северным, а другой — южным. Это название связано с использованием магнитов в компасах для определения направления. Вы знаете, что одинаковые концы магнитов отталкиваются друг от друга, а противоположные концы притягиваются. Теперь, когда электрический ток течет по проводу, он становится похож на магнит в том смысле, что у него есть магнитное поле. Однако, в отличие от постоянных магнитов, магнитное поле можно отключить, остановив ток.Это свойство лежит в основе работы электродвигателей. Ток, проходящий через обмотки проводов в электродвигателе, вызывает включение магнетизма. Затем это заставляет двигатели вращаться, притягиваясь и толкаясь притяжением и отталкиванием электромагнитов.

Работа, совершаемая током с течением времени, называется мощностью. Мощность измеряется в ваттах. Но вы это уже знаете! Напомним, что выше вы узнали, что обычный человек в состоянии покоя сжигает 80 Вт.

На электричество;

1 Вт = 1 А x 1 Вольт.

Уравнение можно изменить для расчета производимого тока;

1 ампер = 1 Вт / 1 объем т.

Подводя итоги.

Ампер измеряет количество электричества, протекающего с течением времени (ток).

Ом измерьте сопротивление потоку.

Вольт измеряет количество энергии, доступное для проталкивания каждого заряда.

Ватт — это мера мощности или работы, которая выполняется с течением времени.

Вы знаете, что закон Ома устанавливает связь между E, I и R. Но сколько работы уже сделано? Это выражается как Сила. Мощность = Электрический потенциал x Ток, или P = E x I. Эта формула указывает на то, что мощность зависит как от количества поставляемой электроэнергии, так и от силы, стоящей за ней. Например, небольшая солнечная панель может выдавать 18 вольт и 2 ампера. Его мощность составит 18 вольт x 2 ампера = 36 ватт. Теперь можно построить еще одну солнечную панель, чтобы производить 9 вольт и 4 ампер.Его мощность составит 9 вольт x 4 ампера = 36 ватт. Так же, как и другой!

Цепи

Простая схема

Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете использовать это повторно элемент для некоммерческих целей при условии, что вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

Пересмотр простой схемы

Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете использовать это повторно элемент для некоммерческих целей при условии, что вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

Оборудование, производящее и использующее электричество, подключено в электрическую цепь.Оборудование может быть установлено как последовательно, так и параллельно. Посмотрите на схемы ниже, чтобы увидеть последствия использования последовательной и параллельной схем. Для фотоэлементов (PV) каждая ячейка может производить только около 0,6 вольт. Поскольку для большинства приложений требуется более высокое напряжение, фотоэлементы должны быть подключены последовательно для получения желаемых результатов.

Последовательная схема

Происхождение: Бенджамин Кукер, Хэмптонский университет
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Параллельная схема

Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете использовать это повторно элемент для некоммерческих целей при условии, что вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

Электродвигатели и генераторы

Магнитное поле вокруг провода, по которому течет ток

Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете использовать это повторно элемент для некоммерческих целей при условии, что вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

Напомним, что часть работы, совершаемой электричеством, происходит, когда оно проходит через провод для создания магнитного поля.Ганс Христиан Эрстед обнаружил это в 1820 году. Годом позже Майкл Фарадей показал, что магнитное поле вокруг провода можно использовать для создания электромагнитов, которые могут быть хитроумно скомпонованы для создания электродвигателя.
Электромагнит

Происхождение: Оригинальное фото Джины Клиффорд: https://www.flickr.com/photos/cobalt_grrl/2256696466
Повторное использование: Attribution-ShareAlike 2.0 Generic (CC BY-SA 2.0) Бесплатно: Совместное использование — копирование и распространение материал на любом носителе или в любом формате. Адаптировать — ремикшировать, преобразовывать и дополнять материал для любых целей, даже для коммерческих целей.

Обратите внимание на изображение электромагнита, полученное путем наматывания изолированного провода на железный гвоздь. Железный гвоздь концентрирует магнитное поле, создаваемое током в изолированном проводе. Изоляция предотвращает короткое замыкание цепи железным гвоздем.

На схемах ниже показано, как работает электродвигатель. Обратите внимание, что при каждом половинном обороте контакты в коммутаторе меняют направление тока, чтобы двигатель вращался в том же направлении.

Простой электродвигатель

Происхождение: Изображения созданы или предоставлены для изучения этого материала.com защищены авторским правом © Chris Woodford (Объясните, что stuff.com) и опубликованы под этой лицензией Creative Commons. http://www.explainthatstuff.com/electricmotors.html
Повторное использование: Per Creative Commons License: Share — копирование и распространение материала на любом носителе или формате. Адаптация — ремикс, преобразование и создание материала

. Простой электродвигатель

Происхождение: Создано Авинашем Синха как оригинальный DIY-файл по лицензии Creative Commons на следующем веб-сайте: http: // www.Instructables.com/file/FW079IPGGC2UDG3/
Повторное использование: При лицензировании CC разрешено следующее: Совместное использование — копирование и распространение материала на любом носителе или в любом формате. Адаптация — ремикс, преобразование и создание материала

.
Генератор постоянного тока

Происхождение: Изображение с www.alternative-energy-tutorials.com, используется с разрешения
Повторное использование: Все учебные пособия и материалы, опубликованные и представленные на веб-сайте учебных пособий по альтернативным источникам энергии, включая текст, графику и изображения, являются собственностью авторских прав или аналогичных права Учебников по альтернативной энергии, представляющих www.Alternative-energy-tutorials.com, если прямо не указано иное. Согласно веб-мастеру AET: Как вы любезно спросили, я не возражаю против того, чтобы вы бесплатно использовали это изображение в рамках своего веб-курса по энергетике. Тем не менее, я должен попросить вас правильно ссылаться на мои учебные пособия, изображения и сайт: www.alternative-energy-tutorials.com соответственно в своих презентациях.

Майкл Фарадей не усовершенствовал электродвигатель, но он обнаружил важное свойство электромагнетизма, которое привело к другому великому изобретению — электрическому генератору.Фарадей открыл в 1831 году принцип магнитной индукции. Он обнаружил, что, проводя магнит по проводу, он вызывает электрический ток в замкнутой цепи. Это привело к разработке электрических генераторов. Первые успешные коммерческие разработки появились примерно в 1860 году. Электрогенератор — это, по сути, электродвигатель, который вращается под действием некоторой внешней силы и в ответ производит индуцированный ток. Гибридные электромобили, такие как Toyota Prius, делают именно это. Электродвигатель питается от аккумулятора при нажатии педали акселератора.Когда педаль отпускается, инерция автомобиля действует через вращающиеся колеса, чтобы вращать двигатель, заставляя двигатель работать в качестве генератора, создавая электричество для подзарядки аккумулятора.

Электричество переменного и постоянного тока

Генератор переменного тока

Происхождение: Автор: Федеральное управление гражданской авиации http://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aircraft/amt_handbook/media/FAA-8083-30_Ch20.pdf
Повторное использование: Это изображение или файл является произведением Сотрудник Федерального управления гражданской авиации, взятый на работу или взятый на работу в рамках служебных обязанностей этого лица.Это произведение федерального правительства США, изображение находится в общественном достоянии Соединенных Штатов.

До сих пор мы рассматривали только один вид электричества — постоянный ток (DC). Это то, что производят батареи, солнечные панели и генераторы постоянного тока. Для электричества постоянного тока ток всегда течет в одном и том же направлении. Другой вид электричества — это переменный ток (AC). Как видно из названия, ток переключает направление в проводе с регулярным циклом. Электроэнергия переменного тока — это то, что приходит в наши дома через электросеть.Производится генераторами переменного тока. Генератор переменного тока устроен иначе, чем генератор постоянного тока. Помните, что в генераторе постоянного тока или двигателе есть коммутатор или выпрямитель, который переключает направление тока в катушках якоря (той части, которая вращается). В генераторе переменного тока вместо реверсивного коммутатора используются контактные кольца. Таким образом, с каждой половиной оборота генератора индуцированный ток меняет направление.

Выходной сигнал генератора переменного тока генерирует синусоидальную волну при скачках напряжения в цепи взад и вперед.Реверсирование тока происходит быстро. В Соединенных Штатах стандарт для электросети составляет 60 Гц (переключение вперед и назад 60 раз в секунду).

Синусоидальная волна от генератора переменного тока

Provenance: Booyabazooka в английской Википедии
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

На диаграмме справа показана синусоида, генерируемая генератором переменного тока. При напряжении выше 0 вольт электричество течет в одном направлении, а при напряжении ниже 0 вольт — в другом. Ось Y — напряжение, а ось X — время.

Короткое видео о разнице между генераторами и двигателями постоянного и переменного тока

Преимущество использования переменного тока заключается в том, что можно легко повышать или понижать напряжение в различных частях сети системы доставки. Это делают трансформаторы. Трансформатор состоит из двух расположенных бок о бок катушек, большой и малой.Обе катушки имеют общий железный сердечник. Переменный ток, проходящий через небольшую первичную катушку, за счет магнитной индукции создает ток более высокого напряжения в большей вторичной катушке. И обратное также верно: если первичная обмотка больше, вторичная обмотка меньшего размера будет иметь более низкое выходное напряжение.

Трансформатор, используемый для увеличения переменного напряжения

Происхождение: BillC в англоязычной Википедии
Повторное использование: Выпущено под лицензией GNU Free Documentation License.

Зачем вообще увеличивать и уменьшать напряжение? Помните, что V = I x R. Передача электричества на большие расстояния приводит к потере энергии на тепло из-за сопротивления проводов. Чтобы предотвратить это, напряжение увеличивается, что требует меньшего тока и меньших тепловых потерь. Когда вы доберетесь до вашего дома, напряжение снова упадет. По высоковольтным линиям электропередачи может подаваться электроэнергия 765 кВ (то есть 765 тысяч вольт!). То, что получается от розетки, составляет 120 вольт.

Переключение между переменным и постоянным током

Инвертор для переключения с постоянного на переменный ток

Происхождение: Фотография сделана Б.Cuker
Повторное использование: Без копирования, можно использовать для любых целей.

Поскольку мы используем электричество как переменного, так и постоянного тока, важно уметь преобразовывать одно в другое. Эту работу выполняет устройство, называемое инвертором мощности. Многие бытовые приборы работают от сети переменного тока. Холодильники, кондиционеры, лампы накаливания и люминесцентные лампы, пылесосы, фены и стиральные машины — все напрямую используют кондиционер. Электроника, такая как компьютеры, телевизоры и сотовые телефоны, требует постоянного тока.В устройствах обычно инвертор встроен в шнур питания переменного тока. По проводу, идущему от инвертора, проходит постоянный ток, необходимый устройству. Инверторы

также могут использоваться для преобразования постоянного тока в переменный. Такие устройства позволяют использовать 12 В постоянного тока автомобиля для питания портативного компьютера. Дома, которые используют фотоэлектрические панели для использования солнечной энергии для производства электроэнергии, также должны преобразовывать свою выработку в соответствии с переменным током, если системы подключены к электросети.

Оба типа инверторов используют электронные схемы для перехода на электричество.Теория их действия выходит за рамки этого основного устройства. Но вы должны знать, что силовые инверторы подчиняются второму закону термодинамики. Таким образом, в процессе преобразования энергия теряется на тепло. Но современные инверторы могут достигать КПД до 95%.

Показан силовой инвертор, который преобразует постоянный ток солнечных панелей в переменный ток для фотоэлектрической системы, подключенной к сети.

Хранение и производство электроэнергии с помощью батарей

Схема свинцово-кислотной батареи

Provenance: Ohiostandard в английской Википедии — перенесено с en.wikipedia в Commons от Burpelson AFB с использованием CommonsHelper.
Повторное использование: Разрешено копировать, распространять и / или изменять этот документ в соответствии с условиями лицензии GNU Free Documentation License версии 1.2 или любой более поздней версии, опубликованной Free Software Foundation; без неизменяемых разделов, без текстов на лицевой обложке и без текстов на задней обложке. Копия лицензии включена в раздел под названием GNU Free Documentation License.

Батареи преобразуют потенциальную энергию химических веществ в кинетическую энергию электричества.Бенджамин Франклин ввел термин «батарея» для описания стопки стеклянных пластин с металлическим покрытием, которые он использовал для хранения энергии. Но то, что у него было, сегодня мы назвали бы конденсаторами. Батареи работают, соединяя вместе два химических материала, которые имеют разное сродство к электронам. Материалы анода предпочитают терять электроны, а материалы катода — получать их. Электроды батареи погружены в раствор, содержащий положительно и отрицательно заряженные ионы, называемый электролитом. При включении в цепь электроны текут от анода к катоду.В то же время отрицательно заряженные ионы в электролите перемещаются от катода к аноду для поддержания нейтральности заряда и тем самым замыкают электрическую цепь.

В перезаряжаемой батарее реакции на аноде и катоде можно обратить вспять, используя электрическую энергию для подачи тока, который толкает электроны в противоположном направлении — от катода к аноду. Это восстанавливает исходное состояние двух электродов. Ваш портативный компьютер, мобильный телефон и автомобильный аккумулятор — все это примеры аккумуляторных батарей.В современных батареях используются комбинации различных типов металлов и соединений оксидов металлов, образованные из таких элементов, как углерод, кадмий, кобальт, литий, марганец, никель, свинец и цинк для повышения производительности.

Батарея из лимона

Происхождение: Тереза ​​Нотт из Викимедиа: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lemon_battery.png
Повторное использование: Этот файл находится под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.Вы можете: делиться — копировать, распространять и передавать произведение для ремикса — адаптировать произведение При следующих условиях: приписывание — вы должны указать произведение в порядке, указанном автором или лицензиаром (но ни в коем случае не предполагает, что они одобряют вас или ваше использование произведения). делиться одинаково — если вы изменяете, трансформируете или расширяете эту работу, вы можете распространять полученную работу только по той же или аналогичной лицензии, что и эта.

Простая батарея, использующая кислотные фрукты и два разных металла (бронза и стальные сплавы).

Exercises Exercises for Module 1 (Microsoft Word 2007 (.docx) 17kB Jul12 17)

1. Создайте цепь, используя две последовательно соединенные батареи и лампочку. Используйте цифровой мультиметр (DMM) для измерения электрического потенциала в вольтах между положительной и отрицательной клеммами в цепи. Теперь добавьте в цепь вторую лампочку последовательно с первой. Какова яркость каждой лампочки по сравнению с яркостью, когда в цепи была только одна лампочка? С помощью вольтметра измерьте напряжение между положительной клеммой аккумулятора и проводом сразу после первой лампочки, а затем сразу после второй лампочки.Запишите результаты. Теперь создайте цепь с двумя параллельными лампочками. Запишите яркость и напряжение на каждой лампочке.

Объясните свои результаты.

Простая схема с одной лампочкой

Цепь с двумя последовательно включенными лампочками

Цепь с двумя параллельно включенными лампами

2.Создайте пять магнитов для выборщиков, каждый с проволокой разной длины, обернутой вокруг железных гвоздей: 10 см, 20 см, 30 см, 40 см и 50 см. В каждом случае на каждом конце провода должно быть по 10 см, чтобы его можно было подключить к батарее. Таким образом, катушка «10 см» будет фактически сделана из проволоки длиной 30 см и так далее. Подключите каждый магнит к батарее и прикрепите как можно больше канцелярских скрепок к магнитной цепочке с кончика ногтя. Запишите максимальное количество скрепок в каждом случае. Затем нарисуйте график зависимости максимального количества удерживаемых скрепок от длины провода, из которого сделаны обмотки.Объясните, почему график выглядит именно так.

3. Соберите простой двигатель из предоставленного комплекта. Обязательно обратите внимание на инструкции по удалению изоляции на противоположных сторонах провода, который контактирует с зажимами аккумулятора.Как только вы заставите свой мотор вращаться, проведите следующие эксперименты.

а. Обратите внимание на направление вращения двигателя. Можете ли вы заставить его пойти в обратном направлении? Объяснять.

г. Теперь снимите магнит и переверните. Затем перезапустите мотор. Поворачивает ли он в том же направлении, что и раньше? Почему?

г. Теперь переверните аккумулятор и перезапустите двигатель. Направление вращения осталось прежним? Объяснить, почему.

г. Подумайте об электродвигателе как о системе.Определите источник энергии и судьбу этой энергии во вращающейся двигательной системе. В своем ответе используйте следующие термины: электрохимическая энергия, кинетическая энергия (энергия движения) и тепло. Нарисуйте созданную вами схему для запуска электродвигателя. Наденьте шляпу системного мышления.

• Определите каждый компонент системы.
• Отследите поток энергии в системе. Обязательно покажите, где он переходит от электрического тока к магнитной энергии, кинетической энергии и теплу.
• Сделайте снимок диаграммы и включите его в свой отчет.

Является ли электродвигатель закрытой системой (вся энергия остается в системе) или это открытая система (некоторый обмен энергией с окружающей средой)?

4. Из кусочка цитрусовых сделайте батарейку. Положите медный пенни с одной стороны фрукта и стальную скрепку с другой стороны. Измерьте напряжение с помощью цифрового мультиметра. Запишите результат: ______.

Теперь попробуйте использовать фруктовый аккумулятор, чтобы зажечь светодиодную лампочку.Это работает? Объясните, что создает электричество.

Список литературы

Электромагниты и закон Фарадея

Электродвигатель и генератор

Асинхронный двигатель переменного тока

Трансформаторы

Преобразователи переменного / постоянного тока

Как работают батареи

Яркость лампы
Падение напряжения (В)
	Первая лампочка	Вторая лампа
Яркость лампы
Падение напряжения (В)
	Первая лампочка	Вторая лампа
Яркость лампы
Падение напряжения (В)
Длина провода в бухте (см)	10	20	30	40	50
Макс. нет. скрепок

Ток и мощность от генерируемого напряжения

Если скорость перпендикулярна магнитному полю, то генерируемое напряжение определяется простым произведением:

Для провода длиной L = м = х 10 мкм
движется со скоростью v = x 10 м / с
перпендикулярно магнитному полю B = Tesla = Gauss
генерируемое напряжение V = x 10 мкВ.В.

Данные можно ввести в любое из полей. Когда вы закончили ввод данных, щелкните количество, которое вы хотите рассчитать, в активной формуле выше. Количество не будет принудительно согласованным, пока вы не нажмете на выбор. Для неопределенных параметров будут введены значения по умолчанию, но все значения могут быть изменены.

После того, как вы рассчитали генерируемое напряжение, разумным последующим вопросом будет «Какой ток и мощность я могу получить от генератора?».Несмотря на то, что это не будет практичной геометрией генератора, она может служить идеализация для обсуждения принципов генерации напряжения при взаимодействии с магнитным полем. Принимая это простая геометрия, электрический ток в амперах, возникающий при перемещении провода через магнитное поле будет определяться сопротивлением цепи, к которой он подключен. связаны, используя закон Ома, I = V / R. Если вы сгенерировали 10 вольт и были подключены к цепи сопротивление 1 Ом, результирующий ток будет 10 ампер, а передаваемая мощность P = VI = 10 вольт x 10 амперы = 100 Вт (см. соотношение мощности).Но бесплатного обеда не существует, и вам придется приложить больше усилий, чтобы двигаться. провод через магнитное поле с такой скоростью — вы, по сути, торгуете механической энергией толкания для выработки электрической энергии, всегда ограничиваясь принципом сохранения энергии. Вам придется приложите (по крайней мере) 100 Вт механической мощности толкания, чтобы получить 100 Вт электроэнергии. Практические генераторы почти всегда используют геометрию вращающейся катушки, а крупномасштабные генераторы энергии используют что-то вроде паровой турбины или водяной турбины, чтобы повернуть катушку провода в магнитное поле, получающее напряжение, генерируемое с обеих сторон вращающейся катушки.

Если указанный выше генератор был подключен к цепи с сопротивлением R = Ом,

электрический ток будет I = V / R = амперы для скорости, перпендикулярной B.

Мощность, подаваемая в схему, будет P = VI = Вт.

В идеальном случае, когда не было потерь, механическая мощность P = Fv, необходимая для проталкивания провода через магнитное поле, была бы равна электрической мощности. Для указанной выше скорости требуемая сила равна

.

Идеальная минимально необходимая сила:

F = P / v = ньютоны = фунты.

Измерение и анализ мощности электродвигателя

Билл Гэтеридж, менеджер по продукции, приборы для измерения мощности, Yokogawa Corporation of America

Часть 1: Основные измерения электрической мощности

Электродвигатели — это электромеханические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую. Несмотря на различия в размере и типе, все электродвигатели работают примерно одинаково: электрический ток, протекающий через катушку с проволокой в ​​магнитном поле, создает силу, которая вращает катушку, создавая крутящий момент.

Понимание выработки электроэнергии, потерь мощности и различных типов измеряемой мощности может быть пугающим, поэтому давайте начнем с обзора основных измерений электрической и механической мощности.

Что такое мощность? В самом простом виде мощность — это работа, выполняемая в течение определенного периода времени. В двигателе мощность передается на нагрузку путем преобразования электрической энергии в соответствии со следующими законами науки.

В электрических системах напряжение — это сила, необходимая для перемещения электронов.Ток — это скорость потока заряда в секунду через материал, к которому приложено определенное напряжение. Умножив напряжение на соответствующий ток, можно определить мощность.

P = V * I, где мощность (P) в ваттах, напряжение (V) в вольтах, а ток (I) в амперах

Ватт (Вт) — единица мощности, определяемая как один джоуль в секунду. Для источника постоянного тока вычисление представляет собой просто умножение напряжения на ток: W = V x A. Однако определение мощности в ваттах для источника переменного тока должно включать коэффициент мощности (PF), поэтому W = V x A x PF для переменного тока. системы.

Коэффициент мощности представляет собой безразмерное соотношение в диапазоне от -1 до 1 и представляет количество реальной мощности, выполняемой при работе с нагрузкой. При коэффициенте мощности меньше единицы, что почти всегда имеет место, будут потери в реальной мощности. Это связано с тем, что напряжение и ток цепи переменного тока имеют синусоидальную природу, а амплитуда тока и напряжения цепи переменного тока постоянно смещается и обычно не идеально совмещена.

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на ток (P = V * I), мощность является максимальной, когда напряжение и ток выстраиваются вместе, так что пики и нулевые точки на сигналах напряжения и тока возникают одновременно.Это типично для простой резистивной нагрузки. В этой ситуации две формы сигналов находятся «в фазе» друг с другом, а коэффициент мощности будет равен 1. Это редкий случай, поскольку почти все нагрузки не просто обладают идеальным сопротивлением.

Говорят, что две формы сигнала «не в фазе» или «сдвинуты по фазе», когда два сигнала не коррелируют от точки к точке. Это может быть вызвано индуктивными или нелинейными нагрузками. В этой ситуации коэффициент мощности будет меньше 1, и реальная мощность будет меньше.

Из-за возможных колебаний тока и напряжения в цепях переменного тока мощность измеряется несколькими способами.

Реальная или истинная мощность — это фактическая мощность, используемая в цепи, и измеряется в ваттах. В цифровых анализаторах мощности используются методы оцифровки сигналов входящего напряжения и тока для расчета истинной мощности в соответствии с методом, показанным на Рисунке 1.

В этом примере мгновенное напряжение умножается на мгновенный ток (I), а затем интегрируется за определенный период времени (t).Истинный расчет мощности будет работать с любым типом сигнала независимо от коэффициента мощности (рисунок 2).

Гармоники создают дополнительную сложность. Несмотря на то, что электрическая сеть номинально работает на частоте 60 Гц, существует много других частот или гармоник, которые потенциально могут существовать в цепи, а также может присутствовать составляющая постоянного или постоянного тока. Общая мощность рассчитывается путем рассмотрения и суммирования всего содержимого, включая гармоники.

Методы расчета, показанные на Рисунке 2, используются для обеспечения истинного измерения мощности и истинных измерений среднеквадратичного значения для любого типа сигнала, включая все гармонические составляющие, вплоть до полосы пропускания прибора.

Измерение мощности

Далее мы посмотрим, как на самом деле измерить мощность в данной цепи. Ваттметр — это прибор, который использует напряжение и ток для определения мощности в ваттах. Теория Блонделя утверждает, что общая мощность измеряется минимум на один ваттметр меньше, чем количество проводов. Например, однофазная двухпроводная схема будет использовать один ваттметр с одним измерением напряжения и одним измерением тока.

Однофазная трехпроводная двухфазная система часто встречается в проводке общего корпуса.Эти системы требуют двух ваттметров для измерения мощности.

В большинстве промышленных двигателей используются трехфазные трехпроводные схемы, которые измеряются двумя ваттметрами. Таким же образом потребуются три ваттметра для трехфазной четырехпроводной схемы, при этом четвертый провод является нейтралью.

На рисунке 3 показана трехфазная трехпроводная система с нагрузкой, подключенной с использованием метода измерения двух ваттметров. Измеряются два линейных напряжения и два связанных фазных тока (с помощью ваттметров Wa и Wc).Четыре измерения (линейный и фазный ток и напряжение) используются для достижения общего измерения.

Поскольку этот метод требует контроля только двух токов и двух напряжений вместо трех, установка и конфигурация проводки упрощаются. Он также может точно измерять мощность в сбалансированной или несбалансированной системе. Его гибкость и низкая стоимость установки делают его подходящим для производственных испытаний, когда требуется измерение только мощности или нескольких других параметров.

Для инженерных и научно-исследовательских работ лучше всего подходит трехфазный трехпроводной метод с тремя ваттметрами, поскольку он предоставляет дополнительную информацию, которая может использоваться для балансировки нагрузки и определения истинного коэффициента мощности. В этом методе используются все три напряжения и все три тока. Измеряются все три напряжения (от a до b, от b до c, от c до a), и контролируются все три тока.

Рис. 4. При проектировании двигателей и приводов ключевым моментом является просмотр всех трех значений напряжения и тока, что делает метод трех ваттметров на рисунке выше лучшим выбором.

Измерение коэффициента мощности

При определении коэффициента мощности для синусоидальных волн коэффициент мощности равен косинусу угла между напряжением и током (Cos Ø). Это определяется как коэффициент мощности «смещения» и подходит только для синусоидальных волн. Для всех других форм сигналов (несинусоидальных волн) коэффициент мощности определяется как активная мощность в ваттах, деленная на полную мощность в напряжении-амперах. Это называется «истинным» коэффициентом мощности и может использоваться для всех форм сигналов, как синусоидальных, так и несинусоидальных.

Однако, если нагрузка несимметрична (фазные токи разные), это может привести к ошибке при вычислении коэффициента мощности, поскольку в расчете используются только два измерения ВА. Два VA усредняются, потому что предполагается, что они равны; однако, если это не так, будет получен ошибочный результат.

Следовательно, лучше всего использовать метод трех ваттметров для несимметричных нагрузок, поскольку он обеспечивает правильный расчет коэффициента мощности как для сбалансированных, так и для несбалансированных нагрузок.

Анализаторы мощности

от Yokogawa и некоторых других компаний используют описанный выше метод, который называется методом подключения 3V-3A (три напряжения и три тока). Это лучший метод для инженерных и проектных работ, поскольку он обеспечивает правильные измерения общего коэффициента мощности и ВА для симметричной или несимметричной трехпроводной системы.

Основные измерения механической мощности

В электродвигателе механическая мощность определяется как скорость, умноженная на крутящий момент.Механическая мощность обычно определяется как киловатты (кВт) или лошадиные силы (л.с.), причем один ватт равен одному джоулю в секунду или одному ньютон-метру в секунду.

Лошадиная сила — это работа, выполняемая за единицу времени. Один л.с. равен 33 000 фунт-футов в минуту. Преобразование л.с. в ватт достигается с использованием этого соотношения: 1 л.с. = 745,69987 Вт. Однако преобразование часто упрощается, используя 746 Вт на л.с. (рис. 9).

Для асинхронных двигателей переменного тока фактическая скорость вращения ротора — это скорость вращения вала (ротора), обычно измеряемая с помощью тахометра.Синхронная скорость — это скорость вращения магнитного поля статора, рассчитанная как 120-кратная частота сети, деленная на количество полюсов в двигателе. Синхронная скорость — это теоретическая максимальная скорость двигателя, но ротор всегда будет вращаться немного медленнее, чем синхронная скорость из-за потерь, и эта разница скоростей определяется как скольжение.

Скольжение — это разница в скорости ротора и синхронной скорости. Для определения процента скольжения используется простой процентный расчет синхронной скорости минус скорость ротора, деленная на синхронную скорость.

КПД можно выразить в простейшей форме как отношение выходной мощности к общей входной мощности или КПД = выходная мощность / входная мощность. Для двигателя с электрическим приводом выходная мощность является механической, в то время как входная мощность является электрической, поэтому уравнение эффективности выглядит следующим образом: КПД = механическая мощность / входная электрическая мощность.

Часть 2: Выбор приборов для измерения и анализа мощности электродвигателя

Различные ассоциации разработали стандарты тестирования, которые определяют точность приборов, необходимых для соответствия их стандарту: IEEE 112 2004, NVLAP 160 и CSA C390.Все три включают стандарты для измерения входной мощности, напряжения и тока, датчиков крутящего момента, скорости двигателя и т. Д. Трансформаторы тока (CT) и трансформаторы напряжения (PT) являются одними из основных контрольно-измерительных приборов, используемых для выполнения этих измерений.

Соответствующие стандарты очень похожи, за некоторыми исключениями. Допустимые инструментальные ошибки для стандартов IEEE 112 2004 и NVLAP 150 идентичны; однако CSA C390 2006 имеет некоторые отличия в отношении температуры и показаний.

Например, требования к входной мощности для CSA C390 2006 составляют ± 0,5% от показания и должны включать ошибки CT и PT, тогда как для IEEE 112 2004 и NVLAP 150 требуется только ± 0,5% от полной шкалы.

Датчики тока

Датчики тока обычно требуются для тестирования, потому что сильный ток не может быть подан непосредственно в измерительное оборудование. Существует множество датчиков, подходящих для конкретных приложений. Накладные датчики могут использоваться с анализаторами мощности.Также можно использовать щупы для осциллографа, но при их использовании следует соблюдать осторожность, чтобы убедиться, что прибор не подвергается воздействию высоких токов.

Для трансформаторов тока подводящий провод может быть подключен через окно (трансформаторы тока обычно имеют форму пончика или продолговатую, с отверстием или внутренней частью, называемым окном), или слаботочные соединения могут быть выполнены с клеммами в верхней части устройство. Шунты обычно используются для приложений постоянного тока, но не переменного тока или искаженных частот, хотя их можно использовать для синхронных двигателей с частотой до нескольких сотен Гц.Доступны специализированные трансформаторы тока, которые хорошо работают на высоких частотах, которые чаще встречаются в осветительных приборах, а не в двигателях и приводах.

Yokogawa вместе с LEM Instruments разработали уникальную систему трансформаторов тока, которая обеспечивает высокую точность в диапазоне от постоянного тока до кГц. Это трансформатор активного типа, который использует блок кондиционирования источника питания и обеспечивает точность приблизительно от 0,05 до 0,02% от показаний. Этот тип системы трансформатора тока обеспечивает очень высокую точность измерений, особенно для частотно-регулируемых приводов, которая может изменяться от 0 Гц до рабочей скорости подключенного двигателя.

Трансформаторы напряжения просто преобразуют напряжение с одного уровня на другой. В измерительных приложениях иногда требуются понижающие трансформаторы для снижения напряжения, подаваемого на измерительный прибор, хотя многие приборы могут работать с относительно высокими напряжениями и не требуют понижающего трансформатора.

Измерительные трансформаторы обычно представляют собой комбинацию трансформатора тока и трансформатора напряжения и могут уменьшить количество требуемых преобразователей в некоторых измерительных приложениях.

Рекомендации и меры предосторожности при выборе

При принятии решения, какое устройство использовать, первым вопросом является частотный диапазон измеряемых параметров. Для синусоидальных волн постоянного тока можно использовать шунты постоянного тока, которые обеспечивают высокую точность и простую установку. Для приложений переменного и постоянного тока можно использовать эффект Холла или измерительный трансформатор активного типа. Технология эффекта Холла имеет более низкую точность, в то время как активный тип обеспечивает большую точность. Различные измерительные трансформаторы могут работать на высоких частотах 30 Гц и более, но их нельзя использовать для постоянного тока.

Следующее соображение — требуемый уровень точности. Для измерительного трансформатора это обычно указывается как точность передаточного числа витков. Фазовый сдвиг — еще один важный фактор, и он очень важен, потому что многие трансформаторы предназначены только для измерения тока и не имеют компенсации фазового сдвига.

Фазовый сдвиг в основном зависит от коэффициента мощности для измерения мощности и, таким образом, влияет на расчет мощности. Например, трансформатор тока, который имеет максимальный фазовый сдвиг 2 ° как часть его спецификации, внесет ошибку косинуса (2 °) или 0.06% ошибка. Пользователь должен решить, приемлем ли этот процент ошибок для приложения.

Источником тока является трансформатор тока. Согласно закону Ома, напряжение (E) равно току через проводник (I), умноженному на сопротивление (R) проводника в омах. Открытие вторичной обмотки трансформатора тока эффективно увеличивает сопротивление до бесконечности. Это означает, что внутренний ток насыщает катушку, напряжение также стремится к бесконечности, и устройство повреждается или разрушается.Что еще хуже, трансформатор тока со случайно разомкнутой вторичной обмоткой может серьезно травмировать рабочих.

Никогда не размыкайте вторичную обмотку трансформатора тока. Пользователи могут получить серьезные травмы, а CT может быть поврежден или разрушен.

Совместимость приборов

Чтобы определить совместимость прибора, необходимо определить выходной уровень ТТ. Клеммные и другие трансформаторы тока обычно имеют выходную мощность, указанную в милливольтах на ампер, миллиампер на ампер или ампер.Типичный выходной ток измерительного ТТ может быть указан в диапазоне от 0 до 5 ампер.

Необходимо учитывать импеданс и нагрузку на ТТ, которые являются факторами, на которые влияет количество проводов, используемых для подключения ТТ к прибору. Эта проводка является сопротивлением или нагрузкой на прибор и, следовательно, может повлиять на измерения.

Пробники

при неправильном использовании могут создавать собственный набор проблем. Многие пробники осциллографа рассчитаны на работу с входным сопротивлением осциллографа, но диапазоны входного сопротивления анализатора мощности могут отличаться, и это необходимо учитывать.

Еще один аспект, который следует учитывать при определении совместимости прибора, — это физические требования к устройству. Размер необходимо учитывать вместе с типом трансформатора тока, например, зажимного или кольцевого типа, каждый из которых будет лучше работать в конкретной ситуации.

Пример системы с трехфазным двигателем

Теперь мы рассмотрим типичное трехфазное трехпроводное измерение мощности двигателя с использованием метода двух ваттметров. Теорема Блонделя утверждает, что количество требуемых измерительных элементов на единицу меньше количества токонесущих проводников.Это позволяет измерять мощность в трехфазной трехпроводной системе с использованием двух преобразователей при отсутствии нейтрали. Однако, когда есть нейтраль, используются три преобразователя, поскольку теперь имеется четыре проводника.

Трехфазное питание используется в основном в коммерческих и промышленных средах, особенно для питания двигателей и приводов, поскольку более экономично эксплуатировать большое оборудование с трехфазным питанием. Для расчета трехфазной мощности напряжение каждой фазы умножается на ток каждой фазы, который затем умножается на коэффициент мощности, и это значение умножается на квадратный корень из трех (квадратный корень из 3 равен равно 1.732).

Для измерения трехфазной мощности, потребляемой нагруженным двигателем, подключается анализатор мощности. На рисунке 1 показано типичное соединение с дисплеем, на котором показаны все три напряжения, все три тока, общая мощность и коэффициент мощности.

На рисунке 2 показано трехфазное трехпроводное измерение мощности, выполненное с использованием метода двух ваттметров. Перечислены все три тока и напряжения, а также общие ВА и ВАР. Эта конфигурация может отображать отдельные показания мощности фазы, но их не следует использовать напрямую, потому что для этого метода измерения только полная мощность является точным показанием.

В основном, при использовании метода двух ваттметров в трехпроводной трехфазной системе невозможно измерить мощность отдельной фазы или измерить какие-либо параметры фазы, включая коэффициенты мощности фазы. Однако можно измерить все параметры фазы.

Для трехфазного двигателя с трехпроводным соединением в треугольник можно измерять линейные напряжения и токи отдельных фаз. Поскольку нейтрали нет, измерять фазные напряжения невозможно.Эта ситуация приводит к некоторым показаниям, которые необходимо пояснить.

Глядя на отображение формы сигнала на Рисунке 3, можно увидеть линейные напряжения Vab, Vbc и Vac. Линейные напряжения, измеряемые прибором, в сбалансированной системе разнесены на 60 °. Токи — это фазные токи, которые приборы видят под углом 120 °.

Другое представление этой системы изображено на векторной диаграмме Phasor, показанной на рисунке 4. Треугольник в верхней части этого рисунка показывает измерения линейного напряжения черным цветом, значения фазного напряжения — красным (но это теоретические потому что нейтрали нет), а фазные токи синим цветом.

В нижней части рисунка показаны разности фаз между напряжениями и токами. Опять же, обратите внимание, что линейные напряжения разнесены на 60 °, а фазные токи разнесены на 120 °. Еще одна деталь заключается в том, что если бы верхняя диаграмма представляла чисто резистивную нагрузку, то синие токи были бы синхронизированы с красными напряжениями. Однако при индуктивной нагрузке (например, в двигателе) синие векторы тока не совпадают по фазе с напряжениями.

Кроме того, для этого метода измерения на нижней диаграмме векторы тока всегда будут иметь дополнительный сдвиг на 30 ° от напряжений.Суть в том, что правильно настроенный анализатор мощности учтет все эти условия.

Что делать, если фазная мощность и фазовый коэффициент мощности должны быть точно измерены в трехфазной трехпроводной системе, а не просто приблизительно? На рисунке 5 показан метод, позволяющий измерять фазовые параметры трехфазного трехпроводного двигателя путем создания плавающей нейтрали.

Однако у этой техники есть ограничения. Он будет хорошо работать на входе асинхронного двигателя, синхронного двигателя или аналогичного двигателя без привода с регулируемой скоростью.Следует соблюдать осторожность при использовании этого метода в системе привода с регулируемой скоростью, поскольку высокочастотные искаженные формы сигналов и гармоники могут привести к несогласованным измерениям.

Более того, метод плавающей нейтрали работает только для оборудования с сигналами синусоидального типа. С помощью привода с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) можно включить линейный фильтр 500 Гц (фильтр нижних частот), который затем позволит отображать показания для основной частоты, но не для общей частоты.

Трехпроводные и четырехпроводные измерения мощности

Важно понимать, что мощность будет считываться одинаково независимо от того, измерена ли она трехфазным трехпроводным или трехфазным четырехпроводным методом.Однако при трехфазном четырехпроводном соединении измеряемые значения напряжения представляют собой фазные напряжения от линии к нейтрали.

Рисунок 6 — снимок экрана анализатора мощности, который показывает, насколько близки показания мощности и коэффициента мощности для ШИМ-привода, работающего с двигателем, сравнивая трехфазный трехпроводной вход с фильтром 500 Гц с трехфазным четырехпроводным. вход с плавающей нейтралью.

В альтернативном решении используется функция измерения дельты, которая есть в анализаторах мощности Yokogawa.Функция измерения дельты использует мгновенные измерения линейного напряжения и фазного тока для получения истинного межфазного напряжения, даже если фазы не сбалансированы. Это возможно благодаря вычислению векторной амплитуды внутри процессора. Эта функция также обеспечивает измерения фазной мощности в трехпроводной цепи. Решение для измерения дельты также обеспечивает нейтральный ток.

Часть 3: Измерения электрической мощности для трехфазного двигателя переменного тока

Полное тестирование системы привода и двигателя на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции) представляет собой трехэтапный процесс.Шаг 1 — это точное измерение входной и выходной мощности привода с ШИМ переменной скоростью для определения эффективности привода и потерь мощности. Шаг 2 — это точное измерение входной мощности двигателя, а шаг 3 — точное измерение механической мощности двигателя.

Оптимальный метод — объединить все три этапа с помощью одного анализатора мощности, чтобы исключить временной сдвиг. Это также обеспечивает отличные расчеты эффективности, все в едином программно-аппаратном решении.

Рисунок 7: Этот снимок экрана анализатора мощности показывает, как функцию измерения дельты можно использовать для получения истинных показаний и мощности фазы, даже если фазы не сбалансированы.

Некоторые анализаторы мощности имеют опцию двигателя, в которой сигналы скорости и момента могут быть интегрированы таким образом. Эти анализаторы мощности могут измерять электрическую мощность и механическую мощность и отправлять данные на ПК с запущенным программным обеспечением от оригинального производителя анализатора или заказным программным обеспечением от системного интегратора.

Измерения привода ШИМ для двигателей переменного тока

При использовании частотно-регулируемого привода с ШИМ для управления двигателем часто бывает необходимо измерить как входной, так и выходной сигнал частотно-регулируемого привода с помощью шестифазного анализатора мощности.Эта установка может не только измерять трехфазную мощность, она также может измерять постоянную или однофазную мощность. См. Рисунок 1.

В зависимости от анализатора, режим настройки будет выполняться в нормальном или среднеквадратическом режиме. Конфигурация проводки должна соответствовать применению, например, трехфазный вход и трехфазный выход.

Любой линейный фильтр или фильтр нижних частот должны быть отключены, поскольку фильтрация затрудняет измерения. Однако фильтр пересечения нуля или частотный фильтр должен быть включен, потому что он будет фильтровать высокочастотный шум, чтобы можно было измерить основную частоту.Это измерение необходимо при отслеживании частоты привода.

На рис. 2 показан сигнал выходного напряжения ШИМ с сильно искаженным напряжением, срезанными высокими частотами и с большим количеством шумов на токовой стороне, что затрудняет измерение. Высокочастотное переключение сигнала напряжения создает сильно искаженную форму волны с высоким содержанием гармоник. Частота варьируется от 0 Гц до рабочей скорости.

Для такого зашумленного сигнала нужны специальные датчики тока для измерения.Для точных измерений мощности с ШИМ также необходимы анализаторы мощности с широкой полосой пропускания, способные измерять эти сложные сигналы.

На рисунке 3 показан пример содержания гармоник напряжения на выходе ШИМ. Присутствуют частоты биений, а содержание гармоник напряжения превышает 500 порядков (примерно 30 кГц). Большая часть гармоник приходится на нижние частоты на токовой стороне.

Проблемы измерения привода двигателя с ШИМ

Напряжение инвертора обычно измеряется одним из двух способов.Можно использовать истинное среднеквадратичное измерение, которое включает полное содержание гармоник. Однако, поскольку основная форма волны — это в первую очередь то, что способствует крутящему моменту двигателя, можно выполнить и использовать более простые измерения. Для большинства приложений требуется только измерение основной формы волны.

Существует два основных метода измерения основной амплитуды волны напряжения. Первый и самый простой — использовать фильтр нижних частот для удаления высоких частот. Если в анализаторе мощности есть этот фильтр, просто включите его.Правильная фильтрация даст среднеквадратичное значение напряжения основной частоты инвертора. Однако этот тип фильтрации не обеспечивает истинного измерения полной мощности, поэтому фильтрация — не самый требовательный метод.

Второй метод — это метод измерения выпрямленного среднего, который выдает среднеквадратичное значение напряжения основной волны без фильтрации с использованием определения среднего значения напряжения, масштабированного до среднеквадратичного напряжения. Алгоритм выпрямленного среднего среднего за цикл обеспечит эквивалент основного напряжения, который будет очень близок к среднеквадратичному значению основной волны.

Используя этот метод, можно измерить полную мощность, полный ток и основное напряжение.

Измерение амплитуды основной волны с помощью гармонического анализа

Функцию гармонического анализа можно использовать для определения истинного основного напряжения с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) для определения амплитуды каждой гармонической составляющей, включая основную волну. Это дает точное измерение среднеквадратичного напряжения основной волны. Новейшие анализаторы мощности могут выполнять одновременные измерения истинных среднеквадратических значений и гармоник.

На рисунке 4 Urms2 (среднеквадратичное значение на выходе ШИМ) является очень большим числом, а F2 (среднее значение основной гармоники) несколько ниже. Значение Urms3 (фильтрация основного) дает аналогичный результат. Наконец, U2 (1) получается из анализа гармоник или вычислений FFT основной гармоники. F2, Urms3 и U2 (1) дают очень близкие результаты, но расчет U2 (1) FFT считается наиболее точным.

Инверторный ток обычно измеряется только одним способом, и это как истинный среднеквадратичный сигнал, потому что все гармонические токи способствуют повышению температуры в двигателе и ответственны за него, поэтому все они должны быть измерены.

Еще одно важное измерение связано с приводом В / Гц (Вольт-на-Герц). Привод с ШИМ должен поддерживать постоянное соотношение В / Гц по сравнению с рабочей скоростью двигателя. Анализатор мощности может рассчитывать В / Гц, используя среднеквадратичное значение или значение основного напряжения. Определенная пользователем математическая функция анализатора используется для построения уравнения для этого измерения.

Измерение напряжения шины постоянного тока

Напряжение на шине постоянного тока в ШИМ может быть измерено для проверки условий повышенного и пониженного напряжения.Это измерение может быть выполнено внутри привода на клеммах конденсаторной батареи. Однако более простой способ — использовать отображение формы сигнала анализатора мощности с измерением курсора.

При отображении формы сигнала с помощью курсорного измерения необходимо убедиться, что курсор не находится прямо над небольшими выступами на дисплее. Вместо этого курсор должен находиться поперек осциллограммы, чтобы выполнить точное измерение. На рисунке 5 показано измерение напряжения ШИМ с высокоскоростным переключением.Курсор устанавливается для чтения значения, например 302,81 В.

Измерения механической мощности

Механическая мощность измеряется как скорость двигателя, умноженная на крутящий момент двигателя. На рынке существует множество различных типов датчиков скорости и крутящего момента, которые работают с различными двигателями. Хотя анализаторы Yokogawa могут взаимодействовать с большинством датчиков скорости и крутящего момента, все же целесообразно подтверждать совместимость в каждом случае. Эти датчики могут использоваться для предоставления информации о механических измерениях для расчета измерений механической мощности в анализаторе мощности.

Многие датчики поставляются с интерфейсной электроникой для правильной обработки сигнала для работы с анализаторами мощности или другим оборудованием. Условный сигнал может быть аналоговым выходом или выходом последовательной связи, который идет на ПК и его прикладное системное программное обеспечение.

Одним из вариантов измерения механической мощности является использование как датчика, так и соответствующего измерительного прибора от данного производителя. Такой подход имеет преимущества, поскольку датчики будут точно согласованы с прибором.Будут доступны показатели крутящего момента, скорости и мощности, и, вероятно, будут варианты подключения к ПК вместе с соответствующим прикладным программным обеспечением.

Более интегрированный подход изображен на Рисунке 6. В этой конфигурации выходы сигналов скорости и крутящего момента от измерительных приборов датчика подключаются непосредственно к входам скорости и крутящего момента анализатора мощности. Это дает большое преимущество, заключающееся в том, что измерения электрической и механической мощности могут оцениваться одновременно, а расчеты эффективности могут выполняться непрерывно.

КПД двигателя, привода и системы

КПД инвертора в простейшей форме рассчитывается как выходная мощность, деленная на входную мощность, и выражается в процентах. Один из методов, используемых для измерения входной и выходной мощности, заключается в простом подключении измерителей мощности на входе и выходе, при этом показания двух измерителей используются для расчета эффективности.

Более комплексным методом является использование анализатора мощности с несколькими входами для одновременного измерения входа и выхода, как показано на рисунке 1.Это приводит к более точному расчету эффективности, поскольку он использует один анализатор мощности для устранения потенциальных ошибок, вызванных измерениями временного сдвига.

С помощью внутренних математических вычислений, предоставляемых анализатором, можно настроить очень простое вычисление через меню для расчета потерь привода и эффективности привода.

Какой метод мне следует использовать?

IEEE 112 — это промышленный стандарт США для тестирования двигателей, в котором описаны несколько методов.На рисунке 7 показан дисплей анализатора мощности, поддерживающий «Метод А» стандарта IEEE 112, в котором вся механическая мощность делится на общую мощность, потребляемую двигателем. Стандарт определяет многие параметры, помимо измерений тока и напряжения двигателя, и предоставляет инструкции по проведению общепринятых испытаний многофазных и асинхронных двигателей и генераторов и составлению отчетов по ним. Кроме того, стандарт содержит 11 методов испытаний, чтобы определить, как проводить измерения эффективности двигателей.

Метод испытаний A — ввод-вывод, определенный IEEE 112: КПД рассчитывается как отношение выходной мощности измерения к измеренной входной мощности после корректировки температуры и динамометра, если применимо.Испытания проводятся при номинальной нагрузке с помощью механического тормоза или динамометра. Этот рейтинг должен быть ограничен двигателями с номинальной полной нагрузкой не более 1 кВт.

Метод испытаний B — ввод-вывод с разделением потерь: в методе B выполняются измерения как входной, так и выходной мощности, но различные потери разделяются. Большинство этих потерь просто производят тепло, которое должно рассеиваться двигателем в сборе, и представляют собой энергию, недоступную для выполнения работы. Этот метод является признанным стандартом тестирования U.S. автомобилестроение для двигателей с полной нагрузкой от 1 до 300 кВт.

Хотя оба метода A и B работают, метод B требует большого количества приборов и обычно выполняется только производителями двигателей. Поскольку большинство производителей используют метод B, а большинство пользователей предпочитают метод A, расчеты эффективности между ними могут отличаться. Данные производителей двигателей и приводов могут использовать разные скорости двигателя, испытательные нагрузки или другие условия испытаний.

Заключение

При измерении мощности электродвигателя необходимо учитывать множество факторов, например, полный и истинный коэффициент мощности.Эти измерения включают сложные уравнения, поэтому большинство компаний используют анализаторы мощности для автоматического получения результатов.

После принятия решения об использовании анализатора мощности необходимо принять решение о частотном диапазоне и уровне точности. Совместимость приборов — еще один важный аспект безопасного получения точных показаний, особенно с трансформаторами тока, и это та область, где необходимо учитывать ввод / опции анализатора. При правильных входных сигналах датчиков измерения механической мощности также можно проводить с помощью анализатора мощности.Выбор правильных датчиков скорости и крутящего момента — это первый шаг в определении механической мощности.

Некоторые анализаторы мощности также позволяют выполнять измерения с широтно-импульсной модуляцией. Однако настройка анализатора для измерения ШИМ также требует знания о том, как токи и напряжения будут влиять на измерения мощности.

Прецизионный высокочастотный анализатор мощности — важный инструмент для измерения как механической, так и электрической мощности. Его функции анализа и показания могут помочь улучшить работу и даже продлить срок службы двигателя.Выбор подходящего анализатора и его правильная реализация требуют знаний; однако при правильном использовании данные анализатора мощности предоставят точные и очень ценные данные.

Текущее электричество — Science World

Цели

• Опишите компоненты, необходимые для замыкания электрической цепи.

• Продемонстрируйте различные способы завершения цепи (параллельной или последовательной).

• Определите, как электричество используется в бытовых приборах.

• Опишите связь между электроном и текущим электричеством.

Материалы

Фон

Электричество используется для работы вашего мобильного телефона, силовых поездов и кораблей, для работы холодильника и двигателей в таких машинах, как кухонные комбайны.Электрическая энергия должна быть заменена на другие формы энергии, такие как тепловая, световая или механическая, чтобы быть полезной.

Все, что мы видим, состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Атомы состоят из еще более мелких частей, называемых протонами, электронами и нейтронами. Атом обычно имеет одинаковое количество протонов (имеющих положительный заряд) и электронов (имеющих отрицательный заряд). Иногда электроны можно отодвинуть от своих атомов.

Электрический ток — это движение электронов по проводу.Электрический ток измеряется в ампер (ампер) и относится к количеству зарядов, которые перемещаются по проводу за секунду.

Для протекания тока цепь должна быть замкнута; Другими словами, должен быть непрерывный путь от источника питания через цепь, а затем обратно к источнику питания.

Параллельная цепь (вверху)

Цепь серии (внизу)

Напряжение иногда называют электрическим потенциалом и измеряется в вольт .Напряжение между двумя точками в цепи — это полная энергия, необходимая для перемещения небольшого электрического заряда из одной точки в другую, деленная на размер заряда.

Сопротивление измеряется в Ом и относится к силам, которые препятствуют протеканию электронного тока в проводе. Мы можем использовать сопротивление в своих интересах, преобразовывая электрическую энергию, потерянную в резисторе, в тепловую энергию (например, в электрической плите), световую энергию (лампочка), звуковую энергию (радио), механическую энергию (электрический вентилятор) или магнитную энергию. энергия (электромагнит).Если мы хотим, чтобы ток протекал напрямую из одной точки в другую, мы должны использовать провод с минимально возможным сопротивлением.

Аккуратная аналогия, помогающая понять эти тер мс: система водопроводных труб.

• Напряжение эквивалентно давлению воды, которая выталкивает воду в трубу
• Ток эквивалентен скорости потока воды
• Сопротивление похоже на ширину трубы — чем тоньше труба, тем выше сопротивление и тем тяжелее течет вода.

В этой серии заданий учащиеся будут экспериментировать с проводами, батареями и переключателями, чтобы создать свои собственные электрические цепи, одновременно изучая напряжение, ток и сопротивление.

Интересный факт!

Вы можете заметить, что символы для некоторых единиц СИ (Международной системы единиц) в этом плане урока написаны с заглавной буквы, например, вольт (В) и ампер (А), в отличие от тех, к которым вы привыкли. используя (м, кг).При названии единицы в честь человека принято использовать заглавную букву. В этих случаях подразделения были названы в честь Алессандро Вольта и Андре-Мари Ампера. Единица измерения сопротивления также была названа в честь человека (Георг Симон Ома), но использует символ Ω, который представляет греческую букву омега. Эти правила важно соблюдать, поскольку строчные и прописные буквы могут означать разные единицы измерения, такие как тонна (т) и тесла (Т). Единственным исключением является то, что для литров допустимо использовать L, поскольку букву «l» часто путают с цифрой «1»!

Словарь

амперметр : прибор, используемый для измерения электрического тока в цепи; единица измерения — амперы или амперы (А).
контур : Путь для прохождения электрического тока.
проводник : Вещество, состоящее из атомов, которые свободно удерживают электроны, что позволяет им легче проходить через него.
электрический ток : непрерывный поток электрического заряда, перемещающийся из одного места в другое по пути; требуется для работы всех электрических устройств; измеряется в амперах или амперах (A).
электрохимическая реакция : реакция, которая чаще всего включает перенос электронов между двумя веществами, вызванный или сопровождаемый электрическим током.
электрод : проводник, по которому ток входит или выходит из объекта или вещества.
электрон : субатомная частица с отрицательным электрическим зарядом.
изолятор : Вещество, состоящее из атомов, которые очень прочно удерживают электроны, не позволяя электронам легко проходить сквозь них.
параллельная цепь : Тип схемы, которая позволяет току течь по параллельным путям. Электрический ток распределяется между разными путями.Если лампочки подключены в параллельную цепь, и одна из лампочек удалена, ток все равно будет течь, чтобы зажечь другие лампочки в цепи.
полупроводник : Вещество, состоящее из атомов, которые удерживают электроны с силой между проводником и изолятором.
последовательная цепь : Схема, в которой все компоненты соединены по единому пути, так что один и тот же ток течет через все компоненты. Если вынуть одну из лампочек, цепь разорвется, и ни одна из других лампочек не будет работать.
напряжение : разность потенциалов между двумя точками в цепи, например положительным и отрицательным полюсами батареи. Его часто называют «толчком» или «силой» электричества. Возможно иметь напряжение без тока (например, если цепь неполная и электроны не могут течь), но невозможно иметь ток без напряжения. Он измеряется в вольтах (В).
вольтметр : прибор, используемый для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи.

Прочие ресурсы

г. до н.э. Hydro | Power Smart для школ

г. до н.э. Hydro | Изучение простых схем

г. до н.э. Hydro | Изучение последовательных и параллельных цепей

г. до н.э. Hydro | Электробезопасность

Как работает материал | Как работают светодиоды

Для покупки елочных мини-лампочек: Home Depot, Canadian Tire

Для приобретения небольших учебных лампочек (номиналом не более 2 вольт каждая): Boreal Science

.